高充电速率和高质量负载能力对于高功率和高体积性能超级电容器具有实际重要性，但总是受到厚电极中曲折且缓慢的离子扩散的挑战。在这里，受肝血管系统的启发，提出了分层3D电解质网络来促进离子在层状石墨烯薄膜上的扩散，从而使石墨烯超级电容器的离子扩散系数提高了14倍，具有更好的倍率能力和高质量负载能力。这种设计使石墨烯电极的电容高达236 F g^-1，根据结构的不同，其堆积密度为0.67-0.78 g cm^-3；质量负载为10 mg cm^-2的核堆栈的能量密度高达45.4 Wh L^-1，，这是最先进的石墨烯超级电容器之一。这项研究对结构相关的电容特性进行了全面的研究，指导高倍率和高质量负载石墨烯超级电容器的电极设计。此外，这种设计还通过形成3D凝胶电解质结构使固态石墨烯超级电容器受益，从而实现更高的电容和更好的机械鲁棒性，显示出灵活能量存储的潜力。

 
Fig 1. 3D 电解质网络的仿生设计。 a) 肝脏的显微解剖结构。 b）单片（左）和微孔阵列（右）石墨烯电极中离子传输的图示，其中黄线表示离子的潜在路径。 c）单片（左）和微孔阵列（右）石墨烯电极的SEM图像。比例尺：300 μm。 d) 恒压充电期间无（左）和有（右）快离子通道的多孔电极中离子流的模拟。 e) 随着时间的推移每平方米存储的电荷的统计。

 
Fig 2. 微孔阵列石墨烯薄膜的特性。 a,b) 压制前微孔阵列俯视图的 SEM图像。 c) 压制后孔的横截面SEM图像，重叠的黄线表示孔的轮廓。比例尺：(a–c) 为 25μm。 d）微孔阵列石墨烯薄膜在弯曲状态下的快照。 e) N₂ 吸附/解吸等温线，f) XRD，g) XPS 和 h) 单片和微孔阵列石墨烯薄膜的拉曼光谱。请注意，微孔阵列电极的周期为 100μm（e-h）。 i) 微孔的图示可以实现电解质的快速渗透。 j) 离子液体EMIMBF₄在不同周期的单片和微孔阵列石墨烯电极上的动态接触角。 k) 离子液体EMIMBF₄在单片和微孔阵列石墨烯电极上的SEM图像和相应的动态接触角，放大倍数相同，但周期为500至100μm。比例尺：200μm。

 
Fig 3. 人工离子扩散通道依赖于电化学性能。对于具有 4 V 电压窗口的 EMIMBF₄ 中的单片和微孔阵列电极，GCD 曲线为 a) 1 A g⁻¹、b) 5 A g⁻¹ 和 c) 10 A g⁻¹。不同周期石墨烯超级电容器的 d) Nyquist 图和 e) Randles 图。 f）ESR分布和g）石墨烯超级电容器在1至100 A g⁻¹的电流密度下不同周期的IR降。h）不同周期的rGO薄膜在1至100 A g⁻¹的不同电流密度下的重量电容。 i）不同周期微孔阵列石墨烯薄膜的质量损失和堆积密度。 j）不同周期rGO薄膜在1至100 A g⁻¹不同电流密度下的体积电容,质量负载约为 1 mg cm⁻²。

 
Fig 4. 高质量承载能力和实际考虑。 a) 三明治超级电容器核心堆叠示意图。 b）不同厚度石墨烯电极横截面的SEM图像。 c) 质量负载为 5 和 10 mg cm⁻² 的单片和微孔阵列石墨烯超级电容器的重量电容与电流密度。 d) 1 A g⁻¹ 下的重量电容和 1 至 20 mg cm⁻² 不同质量负载下的体积分数。 e) 材料层面的重量电容和体积电容与同行的比较。缩写：IM-rGO：IL介导的还原氧化石墨烯，UHFG：超高水平氧功能化的rGO，CMG：化学改性石墨烯。基于 f) 仅电极材料和 g) 核心堆叠在 1 A g⁻¹ 下的体积电容比较。 h) 堆叠级质量负载为 5 和 10 mg cm⁻² 的单片和微孔阵列石墨烯超级电容器的 Ragone 图。

 
Fig 5. 3D电解质固态石墨烯超级电容器。 a）基于单片石墨烯电极的固态超级电容器示意图，其中凝胶电解质为平面结构。 b）基于微孔阵列石墨烯电极的固态超级电容器，其中凝胶电解质为3D结构。基于 c) 单片和 d) 微孔阵列石墨烯电极的夹层固态超级电容器的横截面 SEM 图像，黄线标记了凝胶电解质的轮廓。 e) 具有平面和 3D 凝胶电解质的固态超级电容器的重量电容与扫描速率。质量负载为 5 mg cm⁻²。 f) 弯曲状态下具有平面和 3D 凝胶电解质的石墨烯电极的图示。 g) 具有平面和 3D 凝胶电解质的电池在 1000 次弯曲循环期间的电容保持。 h) 弯曲测试的快照。 i) 软包电池在平坦、弯曲、折叠和滚动状态下为 LED 图案供电的快照。 (c,d) 的比例尺为 50μm。
 
       相关研究工作由西安交通大学Jinyou Shao课题组于2024年在线发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，Vascular System Inspired 3D Electrolyte Network for High Rate and High Mass Loading Graphene Supercapacitor，原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315137

转自《石墨烯研究》公众号