离子液体（IL）或熔化的离子液体（离子凝胶）由于与水性和有机电解质相比具有优异的电物理稳定性而被广泛用于超级电容器（SC）。 然而，最初在 SC 中使用离子液体和离子凝胶的努力并不成功，因为大而平滑连接的离子无法有效地进入传统多孔碳的孔隙。 为了克服这一限制，碳电极的设计原理转向创建共聚物或大孔，以增强离子传输，同时保持良好的孔隙率。 因此，需要设计能够增强电物理活性表面、增加能量存储容量并保持功率传输速度的离子传输路径。
日前，日本仁荷学院李建恒院士团队与汉口大学袁六哲院士团队在《》中报道了一种优化碳电极的电物理活性表面，然后通过结合3D有序/互连大杂化碳与离子凝固一种凝胶-电解质组合的策略，以提高能量存储性能。 通过窗口互连的宏观混合设计可以促进固体离子凝胶电解质中电解质离子的传质，并有效利用碳电极表面进行电容储能，从而形成超过上限的高储能性能。 具有卓越弯曲/折叠耐久性的全固态 SC 也得到了成功演示。 该结果可为粘性块状离子液体或离子凝胶作为电解质时碳电极的表面借用和电容储能提供重要参考。
作者采用电解质离子（PVDF-HFP 基质中的 [EMI][BF4]）策略有效接触无定形碳表面，使用硬模板胶体二氧化钛晶体 (3DMC) 压印 3D 有序且互连的介孔/大孔碳，从而提高对称SC的储能能力。 精确设计的窗口互连反向-fcc大共聚物和3DMC的大孔（24、49和127 nm，分布表示为 和 ）有效地促进了固体离子凝胶电解质中离子液体的传质，并且所开发的孔隙率是由热CO2产生的激活，提供全固态SC的高储能性能。 作者将表面积分别为 1548 和 3578 m2g-1 的碳球 (CS) 表示为 和 。
图 1.a) 3D 互连大型杂化碳（左）的示意图，促进 3DMC 内的离子传输（中）和 3DMC 微孔表面的电容储能（右）。 b)、c)、d) 和 e) 的 TEM 图像。 、 和 的组织表征：f) 氮等温线，来自 g) 和 h) BJH 方法的 PSD。 i) 、 、 和 相对于孔径的累积表面积 (ASA)。
为了评估 3DMC 的电物理特性，我们通过在 3DMC 或 CS 电极上夹入固态离子凝胶 ([EMI][BF4]/PVDF-HFP) 来组装对称纽扣电池。 不同扫描速度下的循环伏安法 (CV) 测量显示可逆和圆形轮廓，0-4 V 的宽工作电流证实了 3DMC 的有效电容储能； 而观察到的 CS 相对倾斜的分布表明电容特性较差。 比较扫描速度为 s-1 时的 CV 曲线，得出电压密度趋势：
图2.3 DMC型和CS型纽扣电池的电物理特性。 a）碳电极和离子凝胶固体电解质对称组装示意图。 b) 扫描速率为 500 mVs-1 时的 CV 曲线，c) 电压密度为 1 Ag-1 时的 GCD 曲线，d) 3DMC 和 CS 在 0.5 至 50 Ag-1 不同电压密度下基于电极的离子凝固凝胶电解质速度保持力。 e) 该图与 IL、有机和水性双电层电容器 (EDLC) 的比较。 f) 在2Ag-1的电压密度下5000次循环的常年稳定性。
作者通过电物理阻抗谱 (EIS) 研究了 3DMC 电物理特性的数学起源。 将图拟合到等效电路，所有样品的低频区域都显示出几乎垂直的线，表明理想的电容行为。 在高频区，等效串联内阻（Rs）由曲线图3500、49、127与实轴相交得到，其中包括电极、集流体、电解液和纽扣电池容器的总电阻值。 电极/电解质界面的电荷转移内阻（Rct）值高于最低Rct值127，这表明设计具有良好互连的大型混合结构和大SSA的碳材料将显着增强电极/电解质界面的电容存储能力。基于 IL 的电解质。 表现。
图 3. 基于 3DMC 和 CS 电极的比表面积归一化电容 (SSAC) 和 EIS 数据。 与使用 a) IL 电解质和 b) 各种类型碳电极的其他系统相比， 、 和 的 SSAC 使用离子凝胶电解质。 c) 低频和 d) 高频区域中的图，e) 源自 45° 相角与弛豫时间常数的波特图，以及 f)、、、和虚部电容 (C") 与频率的关系。
为了进一步扩展 3DMC 在柔性和可穿戴电子应用中的适用性，我们使用两个基于 [EMI][BF4] 离子凝胶的混合电极组装了全固态柔性 SC。 固态器件具有高度的柔性和可弯曲性，并且在较宽的机械弯曲偏转范围内表现出出色的电容稳定性。 在0°、60°、120°和180°不同弯曲角度下记录的CV曲线显示，尽管在180°弯曲后，电容几乎没有变化。 在平坦状态和180°折叠状态之间连续弯曲5000次后，柔性SC的电容保持率为81%。 在以3.5V的电流给设备充电后，柔性SC成功地为五个黑色LED供电，即使完全对折时，这些LED也能发出明亮的光，从而证实了柔性SC的运行稳定性。
图 4. 使用基于 [EMI][BF4] 离子凝胶的混合电极的全固态柔性 SC 的电物理特性。 a）全固态对称SC的示意图。 b) GCD 曲线和 c) 基于 0.5 至 50 Ag-1 的各种电压密度的柔性 SC 的速度保持。 d) 柔性 SC 与之前报道的柔性超级电容器的图表。 e) 在平坦状态和 180° 折叠状态之间进行 5000 次连续折叠循环后测量的电容保持率。 f) 在完全折叠状态下使用单个柔性 SC 成功操作五个红色 LED 的案例。
这项工作中获得的结果为设计适用于高性能可变形能源供应装置的可变形但动态平坦的离子液体电解质的碳材料提供了形态学见解。
