便携式电子设备、电动汽车及智能电网的快速发展对电化学储能器件提出了更高的要求，因此开发高能量、高功率、长寿命、低成本等综合性能优异的电化学储能器件具有重要的应用价值和现实意义。根据不同的电荷存储机理，电化学储能器件可分为电池和超级电容器两类。电池的电荷存储机理一般基于体相的可逆氧化还原反应，同时伴随裸离子的嵌入/脱出；而超级电容器则主要依赖活性表面对溶剂化离子的可逆吸脱附。这种表面吸脱附机理赋予超级电容器超高的功率密度和优异的循环稳定性，但同时也极大地限制了它的能量密度。尽管人们提出诸如提高活性比表面积、引入赝电容反应等诸多切实可行的改进措施，但目前超级电容器的能量密度（~20 W h kg−1）仍远低于电池（~200 W h kg−1）。从单位空间内载流子数目（即空间电荷密度）的角度来看，电池型电极材料在充满电时其内部是有序排列的完全去溶剂化的裸离子，因此具有很高的空间电荷密度；而传统电容型电极材料内部则是散乱分布的尺寸巨大的溶剂化离子，这就决定了其有限的空间电荷密度。
有鉴于此，清华大学曲良体教授课题组近日发展了一种最大化空间电荷密度的策略，来提升电容型电极材料的空间电荷存储密度，进而提升超级电容器的能量密度。受电池型电极材料储能机理的启发，该策略的核心思想是对溶剂化离子的致密有序存储。通过构建致密有序的石墨烯基多孔碳，并使其孔结构有效匹配多价金属离子，实现了~550 Ccm−3的超高空间电荷密度，远高于传统体系（~120Ccm−3）。同时，作者也通过蒙特卡罗计算、分子动力学模拟及电化学原位拉曼光谱对不同价态的金属离子在电极材料内部的动力学过程进行了研究，并证实二价金属离子（如Mg2+、Zn2+）可在该致密有序的石墨烯基多孔碳内部实现空间电荷密度最大化。基于此，作者构建了锌离子混合电容器，所得锌离子电容器在150 W L−1的功率密度下表现出165 W h L−1的超高能量密度。当功率密度增大到36000 W L−1时，其能量密度仍保持在120 W h L−1，实现了超高能量密度的电容型储能。
值得一提的是，该工作也是首次将电化学原位拉曼光谱应用到电容型储能机理的研究中，并将拉曼信号的变化跟电极材料的物理化学性质进行了关联，丰富了超级电容器领域的原位表征技术。
相关成果发表在Angew. Chem.Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.20270）上，清华大学化学系博士生马鸿云为本文第一作者，中国科学院力学研究所刘峰副研究员为本文共同通讯作者。本研究工作得到了科技部和国家自然科学基金委员会的支持。
原文链接：/doi/full/10.1002/anie.20270
