带离子凝胶电解质的介孔、无边碳材料表现出优异的电容特性

为明日设备供能

从无线耳塞到可弯曲的健身手环和智能服装，我们的设备变得更薄、更柔软，同时对能量的需求也在增加。然而，为这些设备供能的电池和电容器大多为硬壳设备设计，并不适合柔性可穿戴场景。本研究探讨了一种将海绵状碳材料与果冻状“离子凝胶”电解质配对以存储能量的新方法，目标是构建纤薄、可弯曲的电源，这些电源充电迅速、可在更高电压下工作，并在日常使用中保持安全性。

一种柔软的固体能量凝胶

传统超级电容器常使用液体电解质，这类电解质可能泄漏、腐蚀部件并限制可用电压。在这里，研究者改用离子凝胶：通过将离子液体困在聚乙烯醇（PVA）聚合物网络中制得的外观固体但富含离子的凝胶。该凝胶表现为柔软、可弯曲的盐溶液，传导性能良好，不易挥发或燃烧，并能承受约3伏的较宽电压窗口。薄型离子凝胶薄膜被夹在两块相同的碳电极之间，构成适合柔性电子的扁平夹心式器件。团队精心调配配方，去除了大部分游离水，只保留足够的结合水以帮助离子移动，同时避免引发严重腐蚀。

海绵状碳对比标准碳

这项工作的核心是在一种新型基于石墨烯的碳材料——石墨烯介海绵（Graphene MesoSponge，GMS）与一种商用活性炭（YP50F）之间进行正面比较。GMS形成由单层石墨烯壁构成的三维海绵状网络，具有宽大、互联的纳米级孔道且暴露边缘很少。相比之下，YP50F主要为微孔结构，通道更窄且边缘位点更多。使用相同的离子凝胶，团队组装了两种对称电池：GMS | 离子凝胶 | GMS 和 YP50F | 离子凝胶 | YP50F。这样可以分离出碳内部结构——孔径、曲率和边缘——如何影响凝胶润湿表面、离子迁移难易以及可存储电荷量。

在真实器件中测量性能

电化学测试显示，基于GMS的电池明显优于其活性炭对照。循环伏安曲线呈现更平滑、更接近理想的充放电形状，并且在更高电压下腐蚀电流更低，表明GMS具有更好的稳定性和更少的不良副反应。阻抗测量证实，GMS电池具有更低的体阻和内阻，以及在有用频率范围内更高的真实电容。介孔结构似乎使离子凝胶能完全渗透碳框架，为离子提供了更大的空间和更直接的迁移通路。充放电实验进一步表明，GMS器件在低内阻下可稳定工作至约1.8伏，而YP50F电池在约1.4伏以上就表现困难，且随着电流增加其电容衰减更快。

原子间的观察

为了解海绵状碳为何表现优异，作者转向原子尺度的计算机建模。他们构建了虚拟的石墨烯片——完好、轻微弯曲并带有特定缺陷类型——并用真实离子凝胶中的离子液体和PVA片段将其包围。量子级计算显示，当接触富离子的凝胶时，石墨烯片会自发弯曲和起皱，尤其在存在一种称为Stone–Wales缺陷的特定缺陷模式时更明显。这种曲率与介孔GMS结构非常相似，并且与离子液体分子在几何上更吻合。在离子、聚合物和碳之间形成了稠密的氢键网络和微弱的吸引力，产生强但分布良好的相互作用和高表面“润湿性”，即凝胶可在碳的内部表面充分展开和附着，而不会只局限在少数几个位置。

为更好柔性电源提出的设计规则

模拟还表明，并非所有缺陷都相同。一些空位型缺陷会非常紧密地抓住离子，但它们往往将离子局限在小区域内，降低整体覆盖度并减缓离子运动。相比之下，Stone–Wales型缺陷和与GMS相关的温和曲率提供了一种平衡：对离子的吸引力足够强，同时离子仍能快速移动和重新排列。这一平衡与实验结果一致：在相同条件下，GMS电极显示出更高的电容和更低的电阻。从实用角度看，该工作表明，通过调控碳框架的孔径、曲率和缺陷模式，并结合合适的离子凝胶，可以获得充放电快速、在更高电压下安全运行且循环寿命长的柔性固态超级电容器。

对日常设备的意义

对非专家而言，结论是并非所有用于储能的“黑色粉末”都相同。通过在孔结构和原子缺陷层面设计碳材料，并与经精心设计的凝胶电解质配对，可以构建既薄又可弯曲的电源单元，弥合快速超级电容器与耐用电池之间的差距。本研究中的石墨烯介海绵体系表明，海绵状、无边的碳与富离子凝胶结合，能够存储更多能量、减少热损失并在更高电压下运行，优于标准活性碳设计。这些见解为下一代用于可穿戴电子、软体机器人和其他新兴技术的柔性、安全且高效的电源提供了路线图。

引用: Jain, A., Moreno-Rodríguez, D., Iwamura, S. et al. Superior capacity behaviour of mesoporous, edge-free carbon materials with ionogel electrolytes. NPG Asia Mater 18, 16 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00644-9

关键词: 柔性超级电容器, 石墨烯介海绵, 离子凝胶电解质, 储能材料, 可穿戴电子