高充電速率和高質(zhì)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(zhàn)。在這里，受肝血管系統(tǒng)的啟發(fā)，提出了分層3D電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)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(shù)提高了14倍，具有更好的倍率能力和高質(zhì)量負載能力。這種設(shè)計使石墨烯電極的電容高達236 F g
-1，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，其堆積密度為0.67-0.78 g cm
-3；質(zhì)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(jié)構(gòu)相關(guān)的電容特性進行了全面的研究，指導(dǎo)高倍率和高質(zhì)量負載石墨烯超級電容器的電極設(shè)計。此外，這種設(shè)計還通過形成3D凝膠電解質(zhì)結(jié)構(gòu)使固態(tài)石墨烯超級電容器受益，從而實現(xiàn)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(zhì)網(wǎng)絡(luò)的仿生設(shè)計。 a) 肝臟的顯微解剖結(jié)構(gòu)。 b）單片（左）和微孔陣列（右）石墨烯電極中離子傳輸?shù)膱D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(tǒng)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(tài)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(xiàn)電解質(zhì)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(tài)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(yīng)的動態(tài)接觸角，放大倍數(shù)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(xué)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(zhì)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(zhì)量負載約為 1 mg cm
−2。
Fig 4. 高質(zhì)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(zhì)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(zhì)量負載下的體積分數(shù)。 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(dǎo)的還原氧化石墨烯，UHFG：超高水平氧功能化的rGO，CMG：化學(xué)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(zhì)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(zhì)固態(tài)石墨烯超級電容器。 a）基于單片石墨烯電極的固態(tài)超級電容器示意圖，其中凝膠電解質(zhì)為平面結(jié)構(gòu)。 b）基于微孔陣列石墨烯電極的固態(tài)超級電容器，其中凝膠電解質(zhì)為3D結(jié)構(gòu)。基于 c) 單片和 d) 微孔陣列石墨烯電極的夾層固態(tài)超級電容器的橫截面 SEM 圖像，黃線標記了凝膠電解質(zhì)的輪廓。 e) 具有平面和 3D 凝膠電解質(zhì)的固態(tài)超級電容器的重量電容與掃描速率。質(zhì)量負載為 5 mg cm
−2。 f) 彎曲狀態(tài)下具有平面和 3D 凝膠電解質(zhì)的石墨烯電極的圖示。 g) 具有平面和 3D 凝膠電解質(zhì)的電池在 1000 次彎曲循環(huán)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(tài)下為 LED 圖案供電的快照。 (c,d) 的比例尺為 50μm。
相關(guān)研究工作由西安交通大學(xué)Jinyou Shao課題組于2024年在線發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
