Science: 无序结构决定纳米多孔碳电容

第一作者：XINYU LIU

通讯作者： ALEXANDER C. FORSE

通讯单位： University of Cambridge

论文DOI： 10.1126/science.adn6242

研究背景

电化学双层电容器（EDLCs）采用纳米多孔结构的活性炭电极，相较于电池具有更长的循环寿命。近期研究关注于调节纳米多孔碳电极的结构，以提升能量密度。固态核磁共振（NMR）光谱学成为了研究EDLC电极局部化学结构和储电机制的有力工具，通过分析饱和电解质的碳的NMR谱可以区分“孔内”和“孔外”离子。NMR谱中Δδ值的大小揭示了纳米多孔碳材料中的结构无序和有序域尺寸的信息。

内容简介

由于纳米多孔碳电极结构复杂，导致缺乏明确的设计原则来改善超级电容器。长期以来，孔径被认为是提高电容的主要手段。然而，作者对大量商业纳米多孔碳材料的评估发现孔径与电容之间缺乏相关性。相反，核磁共振光谱测量和模拟显示了电极中结构无序与电容之间的强关联。更加失序的碳材料具有较小的石墨烯域，因此在其纳米孔中更高效地储存离子，从而表现出更高的电容。我们的发现为理解和利用失序来实现高能量密度的超级电容器提供了途径。

图文导读

Relationship between porosity and capacitances for the studied carbons.

首先，从多个供应商中选取了十种商业可用的纳米多孔碳材料。分析气体吸附数据显示，尽管这些材料的孔径分布和比表面积相似，但它们的电容值却存在显著差异。进一步的研究表明，除了孔径和比表面积外，其他结构特征可能也影响着电容。

Characterization of local structural disorder and its correlation with capacitance.

通过魔角旋转核磁共振（MAS NMR）光谱分析电解质饱和的碳材料，发现了局部结构有序性与电容量之间的相关性。研究结果表明，结构更为无序的碳材料具有更高的电容量，而不同孔径大小对电容量的影响不大。实验证实随着碳材料有序域尺寸的增大，电容量显著降低，进一步证实了结构无序性对电容量的影响。这些发现对于解决之前关于碳材料孔径大小对电容量影响的矛盾报告具有重要意义，并为未来研究结构无序性对电荷速率和电池稳定性的影响提供了启示。

Charge compensation mechanism of two selected carbons with different local structural disorder.

通过异位魔角旋转核磁共振（MAS NMR）实验，在具有不同结构无序程度的两种碳材料（PW-400和SC-1800）的充电超级电容器电极上，探索了无序对电荷存储机制的影响。实验结果表明，两种碳材料都通过离子交换机制储存电荷，随着充电电压的增加，阳极的阴离子吸收增加，阳离子吸收减少，而阴极则相反。特别是，结构更为无序的碳材料（SC-1800）在给定电压下具有更高的储存离子能力，导致了更高的电容量。作者提出，对于具有较小结构域的碳材料，电荷更为局部化，导致离子和碳原子之间的相互作用更强，从而实现了更有效的离子储存。此外，作者假设较小结构域可能与更高的拓扑缺陷浓度相关联，这些缺陷曾被认为能够提高电容性能。最后，作者推测缺陷可能促使离子在碳孔中更密集地排列，而非仅仅是由于脱溶作用导致的碳离子距离缩短。

总结与展望

本研究旨在解决关于纳米多孔碳电极结构如何影响其电容式储能的争论。通过对一系列商用活性炭的电化学测量发现，电容与孔径大小以及比表面积之间没有明显的相关性。相比之下，核磁共振（NMR）光谱实验和建模揭示了电容与电极结构无序性之间的强相关性，小结构域的碳具有更高的电容，这归因于它们在碳纳米孔中更有效地储存离子。这项工作揭示了决定纳米多孔碳电容的一个先前被忽视的结构因素，可能指导改进电化学双层电容器（EDLCs）电极材料的设计和合成。

文献链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6242

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