離子液體（ILs）或凝固的離子液體（離子凝膠）由于其比水性和有機(jī)電解質(zhì)具有更優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，已被廣泛地用于超級電容器（SCs）中。但最初在SC中使用IL和離子凝膠的努力并不成功，因為大而移動緩慢的離子無法有效進(jìn)入常規(guī)微孔碳的孔中。為了克服這個限制，碳電極的設(shè)計原則已轉(zhuǎn)向創(chuàng)造介孔或大孔，增強(qiáng)離子遷移并同時保持發(fā)達(dá)的微孔。因此，需要研究能夠增強(qiáng)電化學(xué)活性表面、提高能量存儲能力并保持功率傳輸速率的離子傳輸路徑設(shè)計。
近日，韓國仁荷大學(xué)李建亨教授團(tuán)隊和漢陽大學(xué)元柳哲教授團(tuán)隊在《Advance Functional Materials》上報道了一種優(yōu)化碳電極電化學(xué)活性表面，從而通過將3D有序/互連的大介孔碳與離子凝膠電解質(zhì)結(jié)合來改善能量存儲性能的策略。通過窗口互連的大介孔設(shè)計可促進(jìn)固體離子凝膠電解質(zhì)中電解質(zhì)離子的質(zhì)量傳輸，并有效利用碳電極表面進(jìn)行電容性能量存儲，從而產(chǎn)生了超過Ragone上限的高能量存儲性能。還成功展示了具有出色彎曲/折疊耐久性的全固態(tài)SC。當(dāng)將粘性大的本體IL或離子凝膠用作電解質(zhì)時，這些結(jié)果可為碳電極的表面利用以及電容性儲能提供重要的參考。
作者使用電解質(zhì)離子（PVDF-HFP基質(zhì)中的[EMI][BF4]）有效接觸無定形碳表面的策略，使用膠體二氧化硅晶體的硬模板方法壓印3D有序和互連的介/大孔碳（3DMC），從而提高對稱式SC的儲能能力。精確設(shè)計的3DMC的窗口互連的反向fcc大介孔和大孔（24、49和127 nm，分布表示為3DMC_24，3DMC_49和3DMC_127），有效地促進(jìn)了ILs在固體離子凝膠電解質(zhì)中的質(zhì)量傳輸，發(fā)達(dá)的微孔則由熱CO2活化形成，提供了全固態(tài)SC的高能量存儲性能。作者將具有高表面積為1548和3578 m2g-1的碳球（CS）分別表示為CS_1500和CS_3500。
為了評估3DMC的電化學(xué)性能，作者通過將固態(tài)離子凝膠（[EMI][BF4]/PVDF-HFP）夾在基于3DMC或CS的電極上來組裝對稱紐扣電池。在各種掃描速率下的循環(huán)伏安（CV）測量顯示了可逆和矩形輪廓，0-4 V的寬工作電壓確認(rèn)了3DMC有效的電容儲能；而CS觀察到相對傾斜的輪廓表明較差的電容性質(zhì)。
以500mV s-1的掃描速率比較CV曲線得出電流密度趨勢：CS_1500 <CS_3500 <3DMC_24 <3DMC_49。通過比較比表面積可以得出CS_3500的電流密度比SS_1500更大。在0.5-50A g-1的各種電流密度下檢查了3DMC和CS的恒電流充放電（GCD）曲線。在電流密度為0.5A g-1的情況下，觀察到CS_1500和3500以及3DMC_24和49的對稱三角形狀，具有小IR下降，這證實了理想的電容特性與CV曲線。
作者通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）研究了3DMC電化學(xué)性能的物理起源。將Nyquist圖擬合到等效電路中，所有樣品的低頻區(qū)顯示了幾乎垂直的線，這表明理想的電容行為。在高頻區(qū)，等效串聯(lián)電阻（Rs）是從Nyquist圖的CS_1500和3500以及3DMC_24、49和127與實軸的交點獲得的，這包括電極，集電器，電解質(zhì)和紐扣電池容器在內(nèi)的總電阻。3DMC_49的電極/電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）值低于3DMC_24和127 的最低Rct值，這表明設(shè)計具有良好互連的大介孔結(jié)構(gòu)和大SSA的碳材料將顯著提高IL基電解質(zhì)的電容儲能性能。
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，作者使用兩個基于3DMC_49的混合電極和[EMI][BF4]離子凝膠組裝了全固態(tài)柔性SC。固態(tài)設(shè)備具有很高的柔韌性和可彎曲性，并且在各種機(jī)械彎曲應(yīng)力下均表現(xiàn)出出色的電容穩(wěn)定性。
在0°，60°，120°和180°的不同彎曲角度下記錄的CV曲線表明，即使在180°彎曲后，電容也幾乎沒有變化。在平坦?fàn)顟B(tài)和180°折疊狀態(tài)之間進(jìn)行5000次連續(xù)彎曲循環(huán)后，柔性SC的電容保持率為81％。用3.5 V的電壓給設(shè)備充電后，柔性SC成功地為五個白色LED供電，即使將其完全對折也能發(fā)出明亮的光，從而確認(rèn)了柔性SC的操作穩(wěn)定性。
這項工作中獲得的結(jié)果為設(shè)計碳材料提供了形態(tài)學(xué)上的見解，這些碳材料適用于可變形但動態(tài)緩慢的IL電解質(zhì)，其可用于高性能可變形能源供應(yīng)裝置。
