特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
電化學雙層電容器（EDLCs）因其高功率性能和長循環壽命而引起了廣泛關注。EDLCs，特別是那些利用活性碳作為電極材料的，因其制備成本低廉而在商業應用中占據優勢。然而，盡管這些設備具有顯著的性能優勢，它們的能量密度相較于現代電池系統仍有限制，這限制了其在高能量需求場合的應用。超級電容器的關鍵性能指標之一是其電極材料的電容性能，而這主要受到電極孔結構的影響。長期以來，科學界普遍認為縮小碳材料的孔徑可以有效增加電解質離子的吸附，從而提高電容。早期研究主要集中在如何通過改變活性碳的孔徑來達到這一目的，而相關的研究成果也初步表明，更小的孔徑有助于提升電容器的性能。特別是在使用脫溶劑化電解質離子時，較小的孔徑被認為可以更有效地提高電容。然而，近年來的研究開始出現了不一致的結果，許多研究報告表明孔徑與電容之間并沒有明顯的直接相關性。這些矛盾的結果暗示，除了孔徑以外，可能還有其他未知的結構參數影響著電容性能。為了探索這一假設，科學家們開始采用更為精細的物理化學分析方法來研究電極材料的結構特征。針對這一挑戰，英國劍橋大學化學系Alexander C. Forse教授及其研究團隊對此問題進行了深入研究。他們使用核磁共振（NMR）光譜技術來探測活性碳電極的結構無序度和電荷存儲機制。NMR光譜可以區分位于碳孔內和孔外的離子，并通過測定化學位移差（Δδ值）來評估碳材料的局部結構無序度。福爾斯教授的團隊發現，相較于孔徑，電極的結構無序度與電容性能之間存在更強的相關性。他們的研究顯示，更無序的碳結構，尤其是那些具有較小石墨烯類域的碳材料，展現出更高的電容。以上研究在“Science”期刊上發表了題為“Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons”的論文。
圖文解讀
圖1展示了不同碳材料的孔徑分布、比表面積以及電容值之間的關系。圖1A展示了五種商業納米多孔碳材料的孔徑分布，結果顯示這些材料具有相似的孔徑分布。在圖1B中，測量了這五種碳材料在NEt4BF4/乙腈電解質中的電容值，結果顯示盡管孔徑分布相似，但電容值卻存在顯著差異。圖1C展示了三種商業活性碳布材料的孔徑分布，而圖1D展示了這些材料的電容值，結果表明盡管孔徑分布不同，但電容值相似。進一步地，圖1E和圖1F展示了電容與平均孔徑以及比表面積之間的關系。綜合這些結果，研究者得出結論認為，盡管孔徑大小和比表面積是影響電容的重要因素，但還存在其他結構特征影響電容。通過這些實驗結果，我們可以更好地理解納米多孔碳材料的結構與性能之間的關系，為設計和優化超級電容器提供了重要參考。 圖2展示了利用核磁共振（NMR）光譜分析碳材料的局部結構無序性與電容之間的關系。通過MAS NMR測量，研究者發現了碳材料中“外孔”和“內孔”區域的離子吸附情況。圖2A顯示了19F MAS NMR光譜的示例，表明了不同碳材料中的離子吸附情況。研究者發現了碳材料的局部結構無序性與電容之間的相關性，具有較小局部結構無序性的碳材料顯示出更高的電容（圖2B）。此外，研究者還對熱退火處理后的碳材料進行了實驗，結果表明，增加結構有序性導致電容的降低，進一步證實了局部結構無序性對電容的影響（圖2C）。通過NMR模擬方法，研究者還預測了碳材料中有序芳香族碳域大小與電容之間的關系，結果表明，具有較小有序域的碳材料通常具有較高的電容（圖2E）。此外，X射線配對分布函數（PDF）的分析結果也支持了NMR光譜的發現，進一步驗證了局部結構無序性與電容之間的相關性（圖2F）。因此圖2表明，具有較小局部結構無序性的碳材料通常具有更高的電容。 接著，在圖3中，研究者進一步探究了碳材料的局部結構無序性對電荷存儲機制的影響。通過實驗測量不同無序程度的碳材料在不同電壓下的離子吸附情況，研究者發現，具有較小無序程度的碳材料在給定電壓下能夠更有效地存儲離子，從而具有更高的電容（圖3B）。這些發現提示，碳材料的局部結構無序性影響了電荷存儲機制，進而影響了電容性能。因此，圖3則揭示了這種無序性如何影響了碳材料的電荷存儲機制。這些發現有助于更深入地理解碳材料的結構-性能關系，為設計和優化高性能超級電容器提供了重要參考。 圖3. 兩種具有不同局部結構無序性的碳材的電荷補償機制。
科學啟迪
本文揭示了納米多孔碳電極的電容儲能與結構無序性之間的重要關聯。通過對商業活性炭和經熱退火處理的材料進行的一系列實驗和建模，作者發現了一個之前被忽視的因素——碳材料的局部結構無序性對電容性能的決定性影響。傳統上，人們認為電容與碳材料的孔徑大小和比表面積有關，然而本研究發現，這些因素并不能很好地解釋電容的變化。相反，作者的研究表明，具有較小有序域的碳材料具有更高的電容，因為它們能夠更有效地儲存離子。這一發現為超級電容器的設計和優化提供了新的視角和指導方向。因此，作者不應僅僅局限于傳統的結構參數來理解材料的性能，而應更加關注材料內部微觀結構的影響。局部結構無序性作為一個重要的結構特征，對碳材料的電容性能具有重要影響，這一點之前并未得到足夠的重視。因此，未來的研究應該更加注重材料的微觀結構，特別是在設計高性能超級電容器電極材料時。通過更深入地理解結構與性能之間的關系，作者可以更有效地設計出滿足不同應用需求的電化學儲能材料，推動超級電容器技術的發展。 Xinyu Liu et al. ,Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons.Science384,321-325(2024).DOI:10.1126/science.adn6242
