南京林业大学蒋少华教授《ACS Nano》综述：木材启发的超级电容器用厚电极

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南京林业大学蒋少华教授、中国科学院山西煤炭化学研究所张国营教授与韩国KAIST Il-Doo Kim教授基于前期木质基厚电极在超级电容器的研究基础，近期在ACS Nano上发表了题为“Inspired by Wood: Thick Electrodes for Supercapacitors”的综述文章。这篇综述文章系统总结了近年来基于木质基与类木材结构厚电极超级电容器的研究进展，并对超级电容器用厚电极当前面临的挑战和未来的发展方向提出了新的研究思路。

图1 木材启发的超级电容器厚电极的设计与优化策略

厚电极的出现和发展为高能量密度超级电容器的设计提供了一条有效途径。木材是一种具有多孔分层结构的生物质材料，具有通道直、孔隙结构均匀、机械强度好、易加工等特点。木材启发的低弯曲度和垂直排列的通道结构非常适合于构建具有高能量密度的厚电极的超级电容器。本文系统总结了受天然木材启发的超级电容器厚电极的设计理念和工艺参数，包括木基孔结构设计调节、双电层电容/赝电容构建、电导率优化等。此外，还详细讨论了制备类木材结构的厚电极优化策略(如3D打印、冷冻干燥和低弯曲度通道)。

图2 木质基碳电极厚度对电极电化学性能的影响

基于此，首先介绍了关于木材的基本特性包括木材的基本组成、微观结构、木材的种类以及木质基厚电极的制备方法。随后，阐述了木质基电极厚度与木质基电极独特的各向异性结构的研究对电极整体电化学性能的影响，通过优选的方案构建具有高质量/面积/体积电容性能的木质基厚电极。

图3 木质基厚电极孔结构的调控对电极电化学性能的影响

其次，基于平衡超微孔(小于1nm)和介孔的比例对于促进孔内快速扩散和增加电解质离子可用的重要性，并得出结论，分层的介孔/微孔结构以及适当的孔径分布是设计厚电极的关键。介绍了基于木质基厚电极孔结构的调控，各种活化剂(如CO₂、KOH、HNO₃、已被用于优化电极材料的孔结构和孔径分布。尽管活化剂可以促进木质碳电极的电化学性能，但这些活化剂对设备具有很强的腐蚀性和破坏性，同时，废料也造成了严重的环境污染。在此背景下，受生物酶功能启发，开发一种基于木材和纤维素酶解处理的3D自支撑厚碳电极，这种方法为设计具有高比表面积和可控分层孔结构的碳基电极材料提供了一种简单通用的策略（图3）。

图4 木质基厚电极赝电容的调控对电极电化学性能的影响

另外，为了使木质碳电极具有外在赝电容，通常在支持EDLC电容的木质电极表面修饰氧化还原活性物质。结合杂原子的最直接方法是在合成的初始步骤或修饰后的过程中结合由目标杂原子组成的有机前体。磷具有缺电子价壳层，可改变碳结构的电荷和自旋密度来引入结构缺陷位点。它还可拓宽碳电极的电压窗口和电解质的润湿性，提高电化学性能。植酸可以与木材中的纤维素分子形成氢键，并通过其六个带负电荷的磷酸基团提供丰富的交联位点，从而形成具有高掺杂水平的磷掺杂剂（图4）。

图5 木质基厚电极电导率的调控对电极电化学性能的影响

除此之外，过渡金属氧化物如RuO₂、MnO₂等被广泛用作典型赝电容型超级电容器。然而，由于过渡金属氧化物差的导电性，电极的整体导电性会随着大量过渡金属氧化物的加入而变差。此外，过量的异质金属/金属氧化物会产生大量有缺陷的结构，导致结构损坏和机械稳定性降低。因此，必须合理控制金属/金属氧化物负载，同时获得木质基电极的多孔结构、各向异性和机械性能，以便制造受益于金属氧化物赝电容性能的高性能超级电容器。通过电沉积、导电剂聚合物包覆、水热处理等精心设计的导电网络结构实现了高性能的木质基厚电极超级电容器的构筑（图5）。

图6 以木材为灵感的新一代厚电极实用功能设计的挑战与未来展望

接下来，讨论了其他方法来制造类木材结构的厚电极，包括选择性蚀刻法、模板法、水热法、密度压实法、自组装法和溶胶-凝胶法。选择最合适的制造方法，甚至是两种或两种以上方法的组合，对于实现木结构与功能材料之间的协同作用至关重要。最后，以木材为灵感的厚电极作为下一代超级电容器的未来发展可以从三个不同的方面来考虑: i)稳定和可穿戴电子产品，ii)与人工智能技术的集成以实现最佳设计，以及iii)扩展到其他储能系统。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01241

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