离子液体（ILs）或凝固的离子液体，称为离子凝胶，由于其对水性和有机电解质具有优异的电化学稳定性，因此已被积极地用于超级电容器（SCs）中。然而，因为笨重而迟钝的离子不能有效地进入常规微孔炭的微孔，在SCs中使用ILs和离子凝胶的初步尝试并没有成功。
针对上述现象，汉阳大学的Won Cheol Yoo教授和仁荷大学Keun Hyung Lee等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Optimizing Electrochemically Active Surfaces of Carbonaceous Electrodes for Ionogel Based Supercapacitors”的文章。
为了解决这一问题，作者提出了一种优化含碳电极电化学活性表面的策略，通过将三维有序/互连的大介孔炭与离子凝胶电解质结合起来，提高其储能性能。精确设计的大介孔通过窗口相互连接，促进固体离子凝胶电解质中电解质离子的质量传输，并有效利用碳电极表面进行电容储能，产生了创纪录的高储能性能，超过了当前最先进的SCs的Ragone上限。此外，还成功地展示了具有优异弯曲/折叠耐久性的所有固态SCs。总体而言，当将粘性大体积的离子液体或离子凝胶用作电解质时，这些结果可为碳电极的表面利用以及电容性储能提供重要的见解。
随着便携式、轻量化和柔性电子技术的飞速发展，固态超级电容器（SCs）或双电层电容器（EDLCs）作为一种有前途的可变形无线电源引起了广泛的研究关注，SCs具有高功率密度和快速充放电速率，因为电荷是通过电解液离子在电极表面的可逆吸附而存储的。SCs还具有其他优点，如长循环耐久性、宽工作温度范围、优越的工作安全性和简单的制造过程。然而，它们较低的能量密度限制了SCs在高功率传输非常重要的应用中的使用，例如紧急门、动力传动系和军事应用。因此，为了提高SCs的实用性，在保持上述固有优势的同时，提高储能密度至关重要。
SCs的能量密度（E）为E=1/2c V 2，其中C为比电容，V为工作电位窗。要增加设备的E，应增大C或V。对SCs的研究大多集中在通过在水电解质或水凝胶中使用高表面积碳来增加C。尽管通过该方法获得了相对较高的200−400 F g−1比电容，但由于基于水电解质的电位窗（≈1.23 V）的≈1 V的器件的有限V，SCs的E值仍然较低，为2−30 Wh kg−1。
考虑到E与工作电位窗的平方依赖性，利用具有电化学稳定性的电解质，如离子液体（ILs）或固化ILs（称为离子凝胶），为开发高能量密度的SCs提供了一条高效途径。ILs或仅由低摩尔质量的阳离子和阴离子组成的室温熔盐（无溶剂）通常具有延伸性电化学稳定窗口（宽达6 V）、可忽略的挥发性和易燃性以及较大的工作温度。在SCs中实际使用ILs可将设备工作电压适度降低至3-4 V，它仍然比传统的水电解质或有机电解质基SCs大得多。1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMI][BF4]）和[EMI]双（三氟甲基磺酰）酰亚胺[TFSI]是SCs中用于增强储能能力的代表性ILs。
由于离子尺寸大（例如，[EMI]+≈0.85nm×0.55nm×0.28nm和[BF4]-≈0.33nm直径），高粘度（25°C时约大于20cp）和离子间强烈的柱状相互作用，因为传统的离子（<2 nm）传输效率低和缓慢，制备IL-SCs的初步努力并不成功。
为了克服这一局限性，碳电极的设计原则已经转移到创造中孔和/或大孔，以增强离子迁移，同时保持良好的微孔发育。因此，在最近对IL基SCs的研究中，使用分层结构的碳电极取得了重大进展，结果导致高E>100 Wh kg-1，扩展工作电位窗口为3.5-4 V。例如，Zhao等人报告了基于原位模板化的三维类石墨烯碳（1545 m2 g-1）和[EMI][BF4]液体电解质的高E值126 Wh kg-1的对称SC。Yao等人采用二维分层碳纳米片（2406m2 g-1）和[EMI][BF4]液体电解质制备了E值为139wh kg-1的对称SC。报道了使用石墨烯纳米复合电极和[EMI][BF4]聚合物电解质的比电容为180 F g-1和75 Wh kg-1的柔性固态SCs。然而，系统研究了三维互连在分层良好设计的孔结构中的作用，目前还没有进行在离子迁移和电容储能方面更有效的方法。因此，需要研究能够进一步增强电化学活性表面的离子传输路径的精确设计，从而在保持能量传输速率的同时提高能量存储能力。
为了最大限度地提高实用性，并防止在挠性器件的重复弯曲过程中发生潜在的电解质泄漏，最好使用在目标离子液体中生成3D网络的宿主聚合物来固化离子液体。由此产生的固体聚合物凝胶电解质或离子凝胶，具有优异的物理特性，如高离子导电性、宽的工作电位窗口、非易失性和优异的机械灵活性，使其成为下一代轻质柔性超级电容器的理想固体电解质。此外，离子液体和离子凝胶还被广泛应用于充电电池、热电化学电池、气体分离、驱动器、传感器、神经形态器件、印刷电子和光电器件等领域。
本文中，作者报告了一种通过使电解质离子（掺入聚偏二氟乙烯-六氟丙烯-PVDF-HFP聚合物基体中的[EMI] [BF4]）有效进入表面而提高对称SC储能能力的策略。通过使用胶体二氧化硅晶体的硬模板方法压印的3D有序和相互连接的大介孔/大孔碳（3DMC），形成无定形碳。精确设计的3DMC的反向FCC大中孔和大孔（24、49和127 nm）的反向通道通过窗口相互连接，有效地促进了ILs在固体离子凝胶电解质中的传质，而发达的微孔则通过热CO2活化而形成提供了全固态SC的创纪录的高能量存储性能。
与具有较小中孔（24 nm，3DMC_24）和大孔（127nm）的3DMC相比，具有较大中孔（49 nm，此后称为3DMC_49）的3DMC通过促进离子运动可最有效地利用比表面积（SSA），具有卓越的电化学性能纳米碳球（3DMC_127），也优于高表面积碳球（1500和3500 m2 g-1）。3DMC_49具有323 F g-1的出色电容，30 µF cm-2的SSA归一化电容（SSAC）和179 Wh kg-1的创纪录高E，可与迄今为止报告的最佳值相媲美。此外，还成功地制造了耐折叠的SC，具有出色的270 F g-1的比电容，25 µF cm-2的出色SSAC和115 Wh kg-1的E。本文还提供了一些灵活的SC的实际演示，说明了这些高性能SC在可弯曲和可折叠电子设备中的巨大应用潜力。
Optimizing Electrochemically Active Surfaces of Carbonaceous Electrodes for Ionogel Based Supercapacitors
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002053
老师简介:
Joseph Wang 教授
Joseph Wang教授的研究集中在纳米生物电子领域，现任“Electroanalysis”杂志主编。迄今，他共发表845篇研究论文，拥有12项专利，撰写11本专著。Joseph Wang教授于1981年获匹兹堡分析化学学会青年科学家奖；1994年获捷克共和国科学院海罗夫斯基纪念奖章；1999年获美国化学会分析仪器奖；并分别在1991年-2001年和 1995年-2005年成为世界工程界论文被引用次数最多的科学家，获得ISI最高引用荣誉；2006年获美国化学会电化学奖；2008年获美国国家科学基金特别创新奖等。
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