電化學(xué)電容器主要通過在高比表面積多孔碳材料的電極-電解質(zhì)界面上形成電雙層來實(shí)現(xiàn)電荷存儲。在納米限域條件下，局部電極結(jié)構(gòu)、表面特性以及非靜電離子-電極相互作用等因素對有效電荷存儲起到了至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)的二維平面界面相比，限域條件下的部分去溶劑化以及誘導(dǎo)電荷現(xiàn)象對于提高電荷存儲能力具有重要意義。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米所邵輝副研究員與法國圖盧茲第三大學(xué)Patrice Simon院士團(tuán)隊(duì)、四川大學(xué)林紫鋒教授合作，在Nature Nanotechnology期刊發(fā)表了題為Advanced characterization of confined electrochemical interfaces in electrochemical capacitors的綜述文章，全面探討了限域電化學(xué)界面研究中的進(jìn)展，闡述了電容器在納米限域環(huán)境下的電荷存儲與傳輸機(jī)制。

圖1. 二維平面內(nèi)的雙電層組成

該綜述詳細(xì)討論了不同表征方法在探究限域電化學(xué)界面中的應(yīng)用，包括X射線小角散射、核磁共振（NMR）、原子力顯微鏡（AFM）、電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM）等技術(shù)。這些方法使得研究者能夠?qū)崟r(shí)觀測電荷存儲過程中的離子遷移、離子濃度變化及界面電荷的分布情況。研究顯示，限域空間中的離子通量受電極孔徑、表面電荷以及局部無序結(jié)構(gòu)的顯著影響，且這些因素共同作用決定了離子的存儲和傳輸行為。此外，文章強(qiáng)調(diào)了零電荷電勢在納米限域體系中的設(shè)計(jì)原則，這一參數(shù)對于調(diào)控離子通量和碳材料與電解質(zhì)之間的相互作用起到了關(guān)鍵作用。

圖2. 限域環(huán)境下的雙電層

文章還探討了納米多孔碳材料在限域條件下的獨(dú)特電化學(xué)特性，尤其是當(dāng)電解質(zhì)離子被限制在小于1納米的孔徑中時(shí)，電荷存儲電容得到了顯著提升。通過實(shí)驗(yàn)觀測與分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象源于孔內(nèi)空間限制對長程相互作用的削弱，從而縮短了離子屏蔽長度并增強(qiáng)了離子與碳壁的相互作用。綜述最后，研究團(tuán)隊(duì)提出，開發(fā)新型高效快充能源存儲材料，需要從納米尺度的限域電荷存儲機(jī)制入手，結(jié)合局部電極材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與先進(jìn)表征技術(shù)的應(yīng)用。特別是如何在納米限域環(huán)境中實(shí)現(xiàn)離子的快速傳輸與高效存儲，將是未來電化學(xué)電容器材料研究的重要方向。

圖盧茲第三大學(xué)葛康康博士為本文第一作者，中國科學(xué)院蘇州納米所邵輝副研究員、四川大學(xué)林紫鋒教授、圖盧茲第三大學(xué)Pierre-Louis Taberna研究員和Patrice Simon院士為本文共同通訊作者。