在各种潜在的电化学双层电容器（EDLC）电极材料中，多孔碳由于其大的比表面积（超过1500 m2 g-1），导电性，电化学稳定性和低成本等优点而满足优良EDLC的所有要求。研究表明，当离子被限制在多孔碳材料的亚纳米孔（小于1 nm）中，即在小于溶剂化离子大小的孔中，发现电容急剧增加，这不仅使商业器件的能量密度增加了两倍，而且使人们重新审视了在受限的碳纳米孔中，EDL的充电机理。此后，研究人员提出并发展了替代的EDL理论和模型来解释纳米多孔碳的电荷储存机制。由于理论研究和分析技术的重要发展，因此可以更好地了解受限孔隙中的离子环境和离子通量。
有鉴于此，法国保罗萨巴蒂埃大学，法国能源电力公司，法兰西学院Patrice Simon总结了纳米多孔碳材料在EDLC应用中的最新进展，包括通过结合先进的技术和模拟方法更好地了解电荷存储机理。
文章要点
1）从二维平面电极上的离子-电极相关性出发，详细概述了EDL形成的基本原理。然而，该模型不足以正确地描述纳米多孔碳中的电荷机理，为此需要良好的多孔结构图。事实证明，完善气体吸附技术对于进一步推动我们对多孔碳基EDLC中电荷存储机理的基本理解至关重要。
2）为了深入了解电荷储存机制，研究人员使用先进的原位实验装置和计算工具。作者总结了原位EQCM作为一种在电极极化过程中跟踪离子和溶剂分子在多孔碳材料/电解质界面上转移的有力工具。这项技术与原位核磁共振技术进行互补，以获得有关纳米孔中离子环境的信息。原位SAS技术和原位XRD、原位红外光谱电化学等技术，对研究纳米多孔炭的离子吸附也具有重要意义。当与先进的表征技术相结合时，建模和模拟在解决基础理论和预测优化碳结构方面显示出巨大的潜力。例如，MD模拟和DFT方法能够根据碳纳米孔的正曲率来解释纳米孔电容增大的原因。
3）尽管已经取得了瞩目的研究进展，碳基超级电容器仍然受到相对较低的能量密度的限制。首先，纳米多孔碳的设计，精细调谐，控制孔径低于1nm仍然是非常具有挑战性的。因此，有必要采取新的策略，以更具成本效益和效率的方式制备具有可控孔径的高质量纳米多孔碳；其次，具有电离层孔的碳材料在不补偿功率性能的情况下可以获得较高的能量密度，这可能是改善性能的有效途径。然而，制备这些防电离性碳仍然具有很大的挑战性。通过优化电极组成，可以突破碳材料的限制，提高EDLCs的性能。
4）对纳米孔电荷储存机理的基本认识已经取得了相当大的进展；然而，对其整体的认识仍然不清楚，特别是当考虑复杂的孔结构或涉及氧化还原反应时。更先进的技术对于获得更多关于电解质/电极界面相互作用的信息至关重要。由于许多技术被称为原位技术或操作技术，应注意可能由测量本身引起的电化学过程的变化，因此，建议采用非破坏性技术。与模拟或建模相结合是挖掘离子分布和种群等额外信息的另一个有效工具。
5）开发新型电解质是推动EDLCs向更高能量密度发展的最有效途径之一。具有较大工作电位范围的水电解质和氧化还原电解质是一种很有前途的电解质。应设计更多低成本、高稳定性、安全性好的相关电解液。考虑到机器学习和人工智能的蓬勃发展，毫无疑问，计算方法在未来几年将在这一领域发挥非常重要的作用。
Shao, Hui, et al, Nanoporous carbon for electrochemical capacitive energy storage, Chem. Soc. Rev., 2020
DOI：10.1039/D0CS00059K
http://dx.doi.org/10.1039/D0CS00059K
