高充電速率和高質量負載能力對于高功率和高體積性能超級電容器具有實際重要性，但總是受到厚電極中曲折且緩慢的離子擴散的挑戰。在這里，受肝血管系統的啟發，提出了分層3D電解質網絡來促進離子在層狀石墨烯薄膜上的擴散，從而使石墨烯超級電容器的離子擴散系數提高了14倍，具有更好的倍率能力和高質量負載能力。這種設計使石墨烯電極的電容高達236 F g
-1，根據結構的不同，其堆積密度為0.67-0.78 g cm
-3；質量負載為10 mg cm
-2的核堆棧的能量密度高達45.4 Wh L
-1，，這是最先進的石墨烯超級電容器之一。這項研究對結構相關的電容特性進行了全面的研究，指導高倍率和高質量負載石墨烯超級電容器的電極設計。此外，這種設計還通過形成3D凝膠電解質結構使固態石墨烯超級電容器受益，從而實現更高的電容和更好的機械魯棒性，顯示出靈活能量存儲的潛力。
Fig 1. 3D 電解質網絡的仿生設計。 a) 肝臟的顯微解剖結構。 b）單片（左）和微孔陣列（右）石墨烯電極中離子傳輸的圖示，其中黃線表示離子的潛在路徑。 c）單片（左）和微孔陣列（右）石墨烯電極的SEM圖像。比例尺：300 μm。 d) 恒壓充電期間無（左）和有（右）快離子通道的多孔電極中離子流的模擬。 e) 隨著時間的推移每平方米存儲的電荷的統計。
Fig 2. 微孔陣列石墨烯薄膜的特性。 a,b) 壓制前微孔陣列俯視圖的 SEM圖像。 c) 壓制后孔的橫截面SEM圖像，重疊的黃線表示孔的輪廓。比例尺：(a–c) 為 25μm。 d）微孔陣列石墨烯薄膜在彎曲狀態下的快照。 e) N
2 吸附/解吸等溫線，f) XRD，g) XPS 和 h) 單片和微孔陣列石墨烯薄膜的拉曼光譜。請注意，微孔陣列電極的周期為 100μm（e-h）。 i) 微孔的圖示可以實現電解質的快速滲透。 j) 離子液體EMIMBF
4在不同周期的單片和微孔陣列石墨烯電極上的動態接觸角。 k) 離子液體EMIMBF
4在單片和微孔陣列石墨烯電極上的SEM圖像和相應的動態接觸角，放大倍數相同，但周期為500至100μm。比例尺：200μm。
Fig 3. 人工離子擴散通道依賴于電化學性能。對于具有 4 V 電壓窗口的 EMIMBF
4 中的單片和微孔陣列電極，GCD 曲線為 a) 1 A g
−1、b) 5 A g
−1 和 c) 10 A g
−1。不同周期石墨烯超級電容器的 d) Nyquist 圖和 e) Randles 圖。 f）ESR分布和g）石墨烯超級電容器在1至100 A g
−1的電流密度下不同周期的IR降。h）不同周期的rGO薄膜在1至100 A g
−1的不同電流密度下的重量電容。 i）不同周期微孔陣列石墨烯薄膜的質量損失和堆積密度。 j）不同周期rGO薄膜在1至100 A g
−1不同電流密度下的體積電容,質量負載約為 1 mg cm
−2。
Fig 4. 高質量承載能力和實際考慮。 a) 三明治超級電容器核心堆疊示意圖。 b）不同厚度石墨烯電極橫截面的SEM圖像。 c) 質量負載為 5 和 10 mg cm
−2 的單片和微孔陣列石墨烯超級電容器的重量電容與電流密度。 d) 1 A g
−1 下的重量電容和 1 至 20 mg cm
−2 不同質量負載下的體積分數。 e) 材料層面的重量電容和體積電容與同行的比較。縮寫：IM-rGO：IL介導的還原氧化石墨烯，UHFG：超高水平氧功能化的rGO，CMG：化學改性石墨烯。基于 f) 僅電極材料和 g) 核心堆疊在 1 A g
−1 下的體積電容比較。 h) 堆疊級質量負載為 5 和 10 mg cm
−2 的單片和微孔陣列石墨烯超級電容器的 Ragone 圖。
Fig 5. 3D電解質固態石墨烯超級電容器。 a）基于單片石墨烯電極的固態超級電容器示意圖，其中凝膠電解質為平面結構。 b）基于微孔陣列石墨烯電極的固態超級電容器，其中凝膠電解質為3D結構。基于 c) 單片和 d) 微孔陣列石墨烯電極的夾層固態超級電容器的橫截面 SEM 圖像，黃線標記了凝膠電解質的輪廓。 e) 具有平面和 3D 凝膠電解質的固態超級電容器的重量電容與掃描速率。質量負載為 5 mg cm
−2。 f) 彎曲狀態下具有平面和 3D 凝膠電解質的石墨烯電極的圖示。 g) 具有平面和 3D 凝膠電解質的電池在 1000 次彎曲循環期間的電容保持。 h) 彎曲測試的快照。 i) 軟包電池在平坦、彎曲、折疊和滾動狀態下為 LED 圖案供電的快照。 (c,d) 的比例尺為 50μm。
相關研究工作由西安交通大學Jinyou Shao課題組于2024年在線發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，Vascular System Inspired 3D Electrolyte Network for High Rate and High Mass Loading Graphene Supercapacitor，原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202315137
轉自《石墨烯研究》公眾號
