離子液體（IL）或熔化的離子液體（離子凝膠）由于與水性和有機(jī)電解質(zhì)相比具有優(yōu)異的電物理穩(wěn)定性而被廣泛用于超級(jí)電容器（SC）。 然而，最初在 SC 中使用離子液體和離子凝膠的努力并不成功，因?yàn)榇蠖交B接的離子無(wú)法有效地進(jìn)入傳統(tǒng)多孔碳的孔隙。 為了克服這一限制，碳電極的設(shè)計(jì)原理轉(zhuǎn)向創(chuàng)建共聚物或大孔，以增強(qiáng)離子傳輸，同時(shí)保持良好的孔隙率。 因此，需要設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)電物理活性表面、增加能量存儲(chǔ)容量并保持功率傳輸速度的離子傳輸路徑。

日前，日本仁荷學(xué)院李建恒院士團(tuán)隊(duì)與漢口大學(xué)袁六哲院士團(tuán)隊(duì)在《》中報(bào)道了一種優(yōu)化碳電極的電物理活性表面，然后通過(guò)結(jié)合3D有序/互連大雜化碳與離子凝固一種凝膠-電解質(zhì)組合的策略，以提高能量存儲(chǔ)性能。 通過(guò)窗口互連的宏觀混合設(shè)計(jì)可以促進(jìn)固體離子凝膠電解質(zhì)中電解質(zhì)離子的傳質(zhì)，并有效利用碳電極表面進(jìn)行電容儲(chǔ)能，從而形成超過(guò)上限的高儲(chǔ)能性能。 具有卓越彎曲/折疊耐久性的全固態(tài) SC 也得到了成功演示。 該結(jié)果可為粘性塊狀離子液體或離子凝膠作為電解質(zhì)時(shí)碳電極的表面借用和電容儲(chǔ)能提供重要參考。

作者采用電解質(zhì)離子（PVDF-HFP 基質(zhì)中的 [EMI][BF4]）策略有效接觸無(wú)定形碳表面，使用硬模板膠體二氧化鈦晶體 (3DMC) 壓印 3D 有序且互連的介孔/大孔碳，從而提高對(duì)稱SC的儲(chǔ)能能力。 精確設(shè)計(jì)的窗口互連反向-fcc大共聚物和3DMC的大孔（24、49和127 nm，分布表示為 和 ）有效地促進(jìn)了固體離子凝膠電解質(zhì)中離子液體的傳質(zhì)，并且所開發(fā)的孔隙率是由熱CO2產(chǎn)生的激活，提供全固態(tài)SC的高儲(chǔ)能性能。 作者將表面積分別為 1548 和 3578 m2g-1 的碳球 (CS) 表示為 和 。

圖 1.a) 3D 互連大型雜化碳（左）的示意圖，促進(jìn) 3DMC 內(nèi)的離子傳輸（中）和 3DMC 微孔表面的電容儲(chǔ)能（右）。 b)、c)、d) 和 e) 的 TEM 圖像。 、 和 的組織表征：f) 氮等溫線，來(lái)自 g) 和 h) BJH 方法的 PSD。 i) 、 、 和 相對(duì)于孔徑的累積表面積 (ASA)。

為了評(píng)估 3DMC 的電物理特性，我們通過(guò)在 3DMC 或 CS 電極上夾入固態(tài)離子凝膠 ([EMI][BF4]/PVDF-HFP) 來(lái)組裝對(duì)稱紐扣電池。 不同掃描速度下的循環(huán)伏安法 (CV) 測(cè)量顯示可逆和圓形輪廓，0-4 V 的寬工作電流證實(shí)了 3DMC 的有效電容儲(chǔ)能； 而觀察到的 CS 相對(duì)傾斜的分布表明電容特性較差。 比較掃描速度為 s-1 時(shí)的 CV 曲線，得出電壓密度趨勢(shì)：

圖2.3 DMC型和CS型紐扣電池的電物理特性。 a）碳電極和離子凝膠固體電解質(zhì)對(duì)稱組裝示意圖。 b) 掃描速率為 500 mVs-1 時(shí)的 CV 曲線，c) 電壓密度為 1 Ag-1 時(shí)的 GCD 曲線，d) 3DMC 和 CS 在 0.5 至 50 Ag-1 不同電壓密度下基于電極的離子凝固凝膠電解質(zhì)速度保持力。 e) 該圖與 IL、有機(jī)和水性雙電層電容器 (EDLC) 的比較。 f) 在2Ag-1的電壓密度下5000次循環(huán)的常年穩(wěn)定性。

作者通過(guò)電物理阻抗譜 (EIS) 研究了 3DMC 電物理特性的數(shù)學(xué)起源。 將圖擬合到等效電路，所有樣品的低頻區(qū)域都顯示出幾乎垂直的線，表明理想的電容行為。 在高頻區(qū)，等效串聯(lián)內(nèi)阻（Rs）由曲線圖3500、49、127與實(shí)軸相交得到，其中包括電極、集流體、電解液和紐扣電池容器的總電阻值。 電極/電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻（Rct）值高于最低Rct值127，這表明設(shè)計(jì)具有良好互連的大型混合結(jié)構(gòu)和大SSA的碳材料將顯著增強(qiáng)電極/電解質(zhì)界面的電容存儲(chǔ)能力?；?IL 的電解質(zhì)。 表現(xiàn)。

圖 3. 基于 3DMC 和 CS 電極的比表面積歸一化電容 (SSAC) 和 EIS 數(shù)據(jù)。 與使用 a) IL 電解質(zhì)和 b) 各種類型碳電極的其他系統(tǒng)相比， 、 和 的 SSAC 使用離子凝膠電解質(zhì)。 c) 低頻和 d) 高頻區(qū)域中的圖，e) 源自 45° 相角與弛豫時(shí)間常數(shù)的波特圖，以及 f)、、、和虛部電容 (C") 與頻率的關(guān)系。

為了進(jìn)一步擴(kuò)展 3DMC 在柔性和可穿戴電子應(yīng)用中的適用性，我們使用兩個(gè)基于 [EMI][BF4] 離子凝膠的混合電極組裝了全固態(tài)柔性 SC。 固態(tài)器件具有高度的柔性和可彎曲性，并且在較寬的機(jī)械彎曲偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)表現(xiàn)出出色的電容穩(wěn)定性。 在0°、60°、120°和180°不同彎曲角度下記錄的CV曲線顯示，盡管在180°彎曲后，電容幾乎沒(méi)有變化。 在平坦?fàn)顟B(tài)和180°折疊狀態(tài)之間連續(xù)彎曲5000次后，柔性SC的電容保持率為81%。 在以3.5V的電流給設(shè)備充電后，柔性SC成功地為五個(gè)黑色LED供電，即使完全對(duì)折時(shí)，這些LED也能發(fā)出明亮的光，從而證實(shí)了柔性SC的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖 4. 使用基于 [EMI][BF4] 離子凝膠的混合電極的全固態(tài)柔性 SC 的電物理特性。 a）全固態(tài)對(duì)稱SC的示意圖。 b) GCD 曲線和 c) 基于 0.5 至 50 Ag-1 的各種電壓密度的柔性 SC 的速度保持。 d) 柔性 SC 與之前報(bào)道的柔性超級(jí)電容器的圖表。 e) 在平坦?fàn)顟B(tài)和 180° 折疊狀態(tài)之間進(jìn)行 5000 次連續(xù)折疊循環(huán)后測(cè)量的電容保持率。 f) 在完全折疊狀態(tài)下使用單個(gè)柔性 SC 成功操作五個(gè)紅色 LED 的案例。

這項(xiàng)工作中獲得的結(jié)果為設(shè)計(jì)適用于高性能可變形能源供應(yīng)裝置的可變形但動(dòng)態(tài)平坦的離子液體電解質(zhì)的碳材料提供了形態(tài)學(xué)見(jiàn)解。