《Next Energy》：Fabrication of high-performance electric double-layer capacitor using biomass derived activated carbon as electrode and 1,2,4-triazolium based ionic liquid as electrolyte
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**摘要**
本研究采用1,4-二丙基-1,2,4-三唑鎓六氟磷酸盐离子液体作为电解液，并按照研究人员先前报道的方法制备了来自糖棕（Borassus flabellifer）树干生物质的活性炭（activated carbon, AC）作为电极材料。本工作的
**摘要**
本研究采用1,4-二丙基-1,2,4-三唑鎓六氟磷酸盐离子液体作为电解液，并按照研究人员先前报道的方法制备了来自糖棕（Borassus flabellifer）树干生物质的活性炭（activated carbon, AC）作为电极材料。本工作的目的是研究电极与电解液的新型组合，并分析其电化学性能。选择三唑鎓离子液体（ionic liquids, ILs）是因为其具有良好的离子电导率和宽电化学稳定窗口（electrochemical stability window, ESW），这有助于改善离子传输以及电极–电解液相互作用。电化学研究进一步揭示了增强的离子传输和储能能力，凸显了其在超级电容器中的应用前景。循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）测试在2 mV/s扫描速率和2 V电位窗口下获得了179.8 F/g的比电容和99.9 mAh/g的比容量，比能量和比功率分别为10.9 Wh/kg和656.25 W/kg，并保持了初始电容的83%循环保持率，显示出长期稳定性。这些结果为将糖棕固体废弃物转化为高性能储能材料和环境修复提供了可持续的方法。
**论文解读：基于糖棕生物质活性炭与三唑鎓离子液体的高性能电化学双层电容器研究**
**一、研究背景与问题提出**
随着工农业废弃物的持续增长，废物管理已成为全球面临的重大挑战。各国政府和相关机构纷纷启动国家计划，致力于将这些残留物转化为具有附加值的商品以缓解该难题。在众多可持续解决方案中，将农业残余物和其他有机物质转化为有价值的资源受到了广泛关注。尽管废弃生物质的碳含量可能不如商业或传统煤基活性炭高，但其低制造成本和生态可持续性使其成为一种可行的替代方案。该方法将有效的废物管理策略与可持续的高性能储能材料制备技术相结合。
在超级电容器（supercapacitors, SCs）领域，活性炭（activated carbon, AC）作为电极材料的大规模应用之一，因其优异的循环稳定性和高功率密度而备受关注。生物质衍生活性炭不仅具有废物减量化、生态平衡和环境可持续性等优势，还能通过化学活化、物理活化或组合方式制备出具有超高比表面积（通常轻易超过1000 m2/g）以及多样微孔和介孔结构的碳材料。微孔有助于电荷存储，介孔则促进离子高效扩散，从而提高比电容、能量密度和功率密度。然而，电极材料仅是决定超级电容器性能的一个方面，电解液的选择同样至关重要，因为它直接影响离子电导率、安全性以及决定最大电池电压的电化学稳定窗口。传统水系电解液受限于水的分解电压，电压窗口较窄，制约了能量密度的进一步提升。因此，开发具有宽电位窗口、良好离子电导率和热稳定性的新型电解液，并与高性能生物质衍生碳电极进行合理匹配，成为该领域亟待解决的关键问题。
**二、研究内容与目的**
针对上述问题，本研究的核心目标在于探索一种新型的电极–电解液组合体系。研究人员选用了来自糖棕（Borassus flabellifer）树干的生物质作为前驱体，按照先前报道的方法制备了活性炭电极材料，并将其与含有无机阴离子的三唑鎓基离子液体（ionic liquid, IL）凝胶聚合物电解液（ionic liquid gel polymer electrolyte, ILGPE）进行耦合。三唑鎓基阳离子由于具有较宽的电化学稳定窗口、优异的离子电导率和良好的热稳定性而被选为电解液的核心组分。缺电子的三唑鎓环可促进强烈的阳离子–阴离子相互作用，并且通过引入不同的烷基或官能取代基可以调节粘度、离子迁移率和电化学行为。这种结构灵活性使得通过优化离子尺寸和传输动力学，能够有效渗透到碳基电极的多孔结构中。该研究旨在通过这种新型组合，深入理解电极–电解液相互作用以及各组分对储能系统性能的影响，评估组装后的超级电容器在循环稳定性、倍率性能和比电容方面的电化学表现。
**三、主要技术方法**
1. **活性炭的制备**：将干燥的糖棕树干生物质在700 °C下碳化2小时，随后使用等量的乙酸锌在800 °C下进行化学活化2小时，用蒸馏水洗涤至pH中性，并在80 °C下干燥。BET分析表明所得活性炭具有780 m2/g的高比表面积。
2. **离子液体的合成**：按照文献报道的方法，通过1-丙基-1,2,4-三唑的季铵化和阴离子交换反应合成了1,4-二丙基-1,2,4-三唑鎓六氟磷酸盐。
3. **离子液体凝胶聚合物电解液的制备**：将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物与离子液体以1:4比例混合，在60 °C的乙腈中搅拌16小时，浇铸成自支撑的凝胶聚合物电解液薄膜。
4. **超级电容器组装**：将ILGPE切割成12 mm圆片，置于两个相同直径的对称AC电极之间，并封装在紧密密封的Swagelok电池中进行电化学测试。
5. **材料表征与电化学测试**：采用流变仪（Rheometer）测定了离子液体的粘度，采用电化学分析仪进行了线性扫描伏安法（linear sweep voltammetry, LSV）、循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）、电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）和恒电流充放电（galvanostatic charge-discharge, GCD）测试。利用三电极体系评估了电极和电解液在不同扫描速率和电位窗口下的行为与稳定性，利用两电极体系考察了完整的器件性能。同时进行了热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）以评估ILGPE在循环前后的热稳定性。
**四、研究结果**
**4.1 离子电导率**
离子电导率研究表明，随着浓度的增加，电导率稳步上升。离子液体在0.1 M、0.3 M和0.5 M浓度下的电导率分别为13.7 mS、29 mS和41 mS。这是因为溶液摩尔浓度的增加使溶液中可移动离子的总数增加，从而改善了离子电导率。0.5 M浓度下41 mS的相对较高离子电导率表明该离子液体具有良好的离子传输能力。
**4.2 粘度测量**
流变学研究表明，所制备的离子液体溶液的粘度较低，约为0.8 mPa·s，且随着剪切速率的增加基本呈线性趋势。这种低粘度有利于良好的离子迁移率和电解液在整个体系中的均匀传输，从而改善整体电化学性能。
**4.3 电化学研究**
LSV分析显示，离子液体在?0.8 V至2.2 V的电位窗口内表现出最佳的稳定性，由此确定所制备离子液体的电化学稳定窗口为3 V。在不同扫描速率（50至200 mV/s）下进行的CV测试表明，样品的CV曲线呈准矩形形状，表明离子能够快速高效地电吸附到电极材料上。在?1.5 V至0.5 V的施加电位范围内没有发生法拉第反应，说明电极的比电容来自双电层电容机制，而非法拉第反应。随着扫描速率的增加，电流响应相应增大。EIS的Nyquist图显示了典型阻抗响应，高频区的半圆代表电荷转移电阻和体相电解液电阻的联合效应，低频区的陡峭斜线则体现了电容行为，表明系统趋近于理想的电容响应，电荷转移电阻较低。
**4.4 电化学器件测试**
在Swagelok电池中组装了对称器件，电极活性物质约为3.32 mg AC，ILGPE中含有1 g离子液体。CV测试表明电位窗口可成功扩展至4.0 V，但超过该范围后CV曲线开始重叠，表明不稳定性开始出现，而2.0 V的应用电位展现出最佳的可逆性。在0至2.0 V范围内不同扫描速率下获得的CV曲线呈准矩形形状，且没有明显的氧化还原峰，证实了典型的电化学双层电容机制。在2 mV/s的慢扫描速率下，离子有充足的时间迁移至微孔内部并接触全部表面积，因而在2 mV/s下获得了最高比电容179.8 F/g。而在高扫描速率下，离子被物理限制在微孔之外，主要利用外表面，导致比电容较低。
GCD测试在2 V电位窗口、0.70 A/g至0.78 A/g的不同电流密度下进行，充放电曲线呈现近似三角形形状且IR降较小，表明理想的电双层电容行为和优异的充放电可逆性。在最小电流密度0.70 A/g下进行了1500次循环测试，计算得到的比能量为10.9 Wh/kg，比功率为656.25 W/kg，系统在1500次循环后保持了初始电容的83%，表现出长期稳定性。循环后电容的下降归因于电解液离子或溶剂分子对电极内部孔道和活性表面积逐渐发生的不可逆堵塞，这种物理屏障永久性地阻碍了电化学可及位点的电荷存储。EIS分析显示较小的电荷转移电阻（Rct）和较低的溶液电阻（Rs），表明电极–电解液界面处的高效电荷传输。Nyquist图低频区的Warburg型45°尾线表明扩散控制的离子传输，等效电路拟合包括Rs、Rct、双电层电容（Cdl）和Warburg因子。Ragone图表明在不同功率密度下能量密度基本保持一致，显示出器件良好的储能特性。
**4.5 ILGPE循环前后的TGA分析**
TGA热重分析表明，ILGPE在充放电循环前后均在约200 °C时保持热稳定性。这说明离子液体的引入以及持续的电化学循环过程并未实质性损害聚合物基体的热完整性，证实了该聚合物基体在高温超级电容器应用中的可行性。
**五、讨论与结论**
本研究成功地将糖棕树干废弃物转化为可持续的高性能超级电容器活性炭电极材料。该工作的新颖之处在于将生物质衍生的多孔碳与三唑鎓基离子液体凝胶聚合物电解液耦合，通过高效离子传输和分级孔结构的有效利用实现了增强的电化学性能。组装器件在2 mV/s下表现出179.82 F/g的高比电容、10.9 Wh/kg的比能量、656.25 W/kg的比功率，以及1500次循环后83%的电容保持率。优异的性能归因于活性炭发达的孔结构与三唑鎓基离子液体宽电化学稳定性和离子电导率之间的协同作用。研究结论指出，这些发现凸显了糖棕衍生碳作为低成本、环境友好的电极材料在可持续储能技术中的应用潜力。然而，目前研究仅限于实验室规模器件评估和中等循环次数测试，未来工作应着重于将循环稳定性扩展到更高循环次数、优化器件制造方案以及评估实际应用的可扩展性。涉及柔性和大面积器件以及探索其他离子液体基电解液的进一步研究，可能为这种生物质衍生的储能平台提供更多的商业可行性见解。总体而言，这项工作为将农业废弃物转化为增值材料提供了一种有前景的策略，有助于开发可持续的高性能超级电容器系统。
