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  南京林業(yè)大學(xué)蔣少華教授、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所張國營教授與韓國KAIST Il-Doo Kim教授基于前期木質(zhì)基厚電極在超級電容器的研究基礎(chǔ)，近期在ACS Nano上發(fā)表了題為“Inspired by Wood: Thick Electrodes for Supercapacitors”的綜述文章。這篇綜述文章系統(tǒng)總結(jié)了近年來基于木質(zhì)基與類木材結(jié)構(gòu)厚電極超級電容器的研究進(jìn)展，并對超級電容器用厚電極當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向提出了新的研究思路。

圖1 木材啟發(fā)的超級電容器厚電極的設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略

  厚電極的出現(xiàn)和發(fā)展為高能量密度超級電容器的設(shè)計(jì)提供了一條有效途徑。木材是一種具有多孔分層結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料，具有通道直、孔隙結(jié)構(gòu)均勻、機(jī)械強(qiáng)度好、易加工等特點(diǎn)。木材啟發(fā)的低彎曲度和垂直排列的通道結(jié)構(gòu)非常適合于構(gòu)建具有高能量密度的厚電極的超級電容器。本文系統(tǒng)總結(jié)了受天然木材啟發(fā)的超級電容器厚電極的設(shè)計(jì)理念和工藝參數(shù)，包括木基孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)、雙電層電容/贗電容構(gòu)建、電導(dǎo)率優(yōu)化等。此外，還詳細(xì)討論了制備類木材結(jié)構(gòu)的厚電極優(yōu)化策略(如3D打印、冷凍干燥和低彎曲度通道)。

圖2 木質(zhì)基碳電極厚度對電極電化學(xué)性能的影響

  基于此，首先介紹了關(guān)于木材的基本特性包括木材的基本組成、微觀結(jié)構(gòu)、木材的種類以及木質(zhì)基厚電極的制備方法。隨后，闡述了木質(zhì)基電極厚度與木質(zhì)基電極獨(dú)特的各向異性結(jié)構(gòu)的研究對電極整體電化學(xué)性能的影響，通過優(yōu)選的方案構(gòu)建具有高質(zhì)量/面積/體積電容性能的木質(zhì)基厚電極。

圖3 木質(zhì)基厚電極孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控對電極電化學(xué)性能的影響

  其次，基于平衡超微孔(小于1nm)和介孔的比例對于促進(jìn)孔內(nèi)快速擴(kuò)散和增加電解質(zhì)離子可用的重要性，并得出結(jié)論，分層的介孔/微孔結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)目讖椒植际窃O(shè)計(jì)厚電極的關(guān)鍵。介紹了基于木質(zhì)基厚電極孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控，各種活化劑(如CO₂、KOH、HNO₃、已被用于優(yōu)化電極材料的孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布。盡管活化劑可以促進(jìn)木質(zhì)碳電極的電化學(xué)性能，但這些活化劑對設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性和破壞性，同時(shí)，廢料也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。在此背景下，受生物酶功能啟發(fā)，開發(fā)一種基于木材和纖維素酶解處理的3D自支撐厚碳電極，這種方法為設(shè)計(jì)具有高比表面積和可控分層孔結(jié)構(gòu)的碳基電極材料提供了一種簡單通用的策略（圖3）。

圖4 木質(zhì)基厚電極贗電容的調(diào)控對電極電化學(xué)性能的影響

  另外，為了使木質(zhì)碳電極具有外在贗電容，通常在支持EDLC電容的木質(zhì)電極表面修飾氧化還原活性物質(zhì)。結(jié)合雜原子的最直接方法是在合成的初始步驟或修飾后的過程中結(jié)合由目標(biāo)雜原子組成的有機(jī)前體。磷具有缺電子價(jià)殼層，可改變碳結(jié)構(gòu)的電荷和自旋密度來引入結(jié)構(gòu)缺陷位點(diǎn)。它還可拓寬碳電極的電壓窗口和電解質(zhì)的潤濕性，提高電化學(xué)性能。植酸可以與木材中的纖維素分子形成氫鍵，并通過其六個(gè)帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)提供豐富的交聯(lián)位點(diǎn)，從而形成具有高摻雜水平的磷摻雜劑（圖4）。

圖5 木質(zhì)基厚電極電導(dǎo)率的調(diào)控對電極電化學(xué)性能的影響

  除此之外，過渡金屬氧化物如RuO₂、MnO₂等被廣泛用作典型贗電容型超級電容器。然而，由于過渡金屬氧化物差的導(dǎo)電性，電極的整體導(dǎo)電性會(huì)隨著大量過渡金屬氧化物的加入而變差。此外，過量的異質(zhì)金屬/金屬氧化物會(huì)產(chǎn)生大量有缺陷的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞和機(jī)械穩(wěn)定性降低。因此，必須合理控制金屬/金屬氧化物負(fù)載，同時(shí)獲得木質(zhì)基電極的多孔結(jié)構(gòu)、各向異性和機(jī)械性能，以便制造受益于金屬氧化物贗電容性能的高性能超級電容器。通過電沉積、導(dǎo)電劑聚合物包覆、水熱處理等精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高性能的木質(zhì)基厚電極超級電容器的構(gòu)筑（圖5）。

圖6 以木材為靈感的新一代厚電極實(shí)用功能設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)與未來展望

  接下來，討論了其他方法來制造類木材結(jié)構(gòu)的厚電極，包括選擇性蝕刻法、模板法、水熱法、密度壓實(shí)法、自組裝法和溶膠-凝膠法。選擇最合適的制造方法，甚至是兩種或兩種以上方法的組合，對于實(shí)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)與功能材料之間的協(xié)同作用至關(guān)重要。最后，以木材為靈感的厚電極作為下一代超級電容器的未來發(fā)展可以從三個(gè)不同的方面來考慮: i)穩(wěn)定和可穿戴電子產(chǎn)品，ii)與人工智能技術(shù)的集成以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，以及iii)擴(kuò)展到其他儲能系統(tǒng)。

  全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01241