《Adv. Mater.》：交叉耦合的微介孔网络中的三相边界使3D打印和基于离子凝胶的准固态微超级电容器成为可能

Three‐Phase Boundary in Cross‐Coupled Micro‐Mesoporous Networks Enabling 3D‐Printed and Ionogel‐Based Quasi‐Solid‐State Micro‐Supercapacitors

Feili Lai, Chao Yang, Ruqian Lian, Kaibin Chu, Jingjing Qin, Wei Zong, Dewei Rao, Johan Hofkens, Xihong Lu*, Tianxi Liu*

Adv. Mater., 2020, 32, 2002474.

电化学储能装置的性能和应用对于间歇性可再生和可持续能源的有效利用至关重要，而这类能源逐渐依赖于创新材料配方的发展和增强电解质在电极上的吸附能力、表面积可及性和离子传输能力的可扩展性制造策略。因此，由含金属的碳作为水性超级电容器组件的电极已显示出巨大的潜力。然而，它们的工作电压窗口和能量密度通常限制在相当狭窄的区域内。为解决该问题，必须制造高度极化的含金属碳，以开发用于高工作电压操作的稳定的电解质。另外，增材制造技术在提高能量存储性能方面也起着重要作用。其中基于挤压的3D打印方法已被证明是一种简便而通用的平台，因此开发具有创新性的石墨烯基3D打印油墨配方具有重要意义。

鉴于此，江南大学刘天西教授和中山大学卢锡洪教授通过氮掺杂交叉耦合的微介孔碳-金属网络作为电极的方式，得到了具有出色超电容性能和宽温度范围的3D打印的准固态微型电容器（MSC）。研究发现，氮掺杂交叉耦合的微介孔碳金属网络/Fe₂O₃纳米复合材料可作为MSC制造的3D打印油墨的强大添加剂。实验结果和理论模拟均表明，发达的分层网络具有丰富的超细Fe₂O₃纳米颗粒，不仅显著促进了离子在其三相边界处的吸附，也大大有利于离子的扩散/传输，且使其路径缩短。该纳米复合材料作为电极，在基于液体电解质的对称器件中具有高的重力电容和出色的稳定性，以及非常高的非对称超级电容器的能量密度。特别是，通过3D打印的基于离子凝胶的准固态MSC具有较高的重量电容，且该设备可以在较宽的温度范围下运行。

氮掺杂交叉耦合的微介孔碳-金属网络作为3D打印油墨添加剂用于MSC制造的示意图。