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  南京林業大學蔣少華教授、中國科學院山西煤炭化學研究所張國營教授與韓國KAIST Il-Doo Kim教授基于前期木質基厚電極在超級電容器的研究基礎，近期在ACS Nano上發表了題為“Inspired by Wood: Thick Electrodes for Supercapacitors”的綜述文章。這篇綜述文章系統總結了近年來基于木質基與類木材結構厚電極超級電容器的研究進展，并對超級電容器用厚電極當前面臨的挑戰和未來的發展方向提出了新的研究思路。

圖1 木材啟發的超級電容器厚電極的設計與優化策略

  厚電極的出現和發展為高能量密度超級電容器的設計提供了一條有效途徑。木材是一種具有多孔分層結構的生物質材料，具有通道直、孔隙結構均勻、機械強度好、易加工等特點。木材啟發的低彎曲度和垂直排列的通道結構非常適合于構建具有高能量密度的厚電極的超級電容器。本文系統總結了受天然木材啟發的超級電容器厚電極的設計理念和工藝參數，包括木基孔結構設計調節、雙電層電容/贗電容構建、電導率優化等。此外，還詳細討論了制備類木材結構的厚電極優化策略(如3D打印、冷凍干燥和低彎曲度通道)。

圖2 木質基碳電極厚度對電極電化學性能的影響

  基于此，首先介紹了關于木材的基本特性包括木材的基本組成、微觀結構、木材的種類以及木質基厚電極的制備方法。隨后，闡述了木質基電極厚度與木質基電極獨特的各向異性結構的研究對電極整體電化學性能的影響，通過優選的方案構建具有高質量/面積/體積電容性能的木質基厚電極。

圖3 木質基厚電極孔結構的調控對電極電化學性能的影響

  其次，基于平衡超微孔(小于1nm)和介孔的比例對于促進孔內快速擴散和增加電解質離子可用的重要性，并得出結論，分層的介孔/微孔結構以及適當的孔徑分布是設計厚電極的關鍵。介紹了基于木質基厚電極孔結構的調控，各種活化劑(如CO₂、KOH、HNO₃、已被用于優化電極材料的孔結構和孔徑分布。盡管活化劑可以促進木質碳電極的電化學性能，但這些活化劑對設備具有很強的腐蝕性和破壞性，同時，廢料也造成了嚴重的環境污染。在此背景下，受生物酶功能啟發，開發一種基于木材和纖維素酶解處理的3D自支撐厚碳電極，這種方法為設計具有高比表面積和可控分層孔結構的碳基電極材料提供了一種簡單通用的策略（圖3）。

圖4 木質基厚電極贗電容的調控對電極電化學性能的影響

  另外，為了使木質碳電極具有外在贗電容，通常在支持EDLC電容的木質電極表面修飾氧化還原活性物質。結合雜原子的最直接方法是在合成的初始步驟或修飾后的過程中結合由目標雜原子組成的有機前體。磷具有缺電子價殼層，可改變碳結構的電荷和自旋密度來引入結構缺陷位點。它還可拓寬碳電極的電壓窗口和電解質的潤濕性，提高電化學性能。植酸可以與木材中的纖維素分子形成氫鍵，并通過其六個帶負電荷的磷酸基團提供豐富的交聯位點，從而形成具有高摻雜水平的磷摻雜劑（圖4）。

圖5 木質基厚電極電導率的調控對電極電化學性能的影響

  除此之外，過渡金屬氧化物如RuO₂、MnO₂等被廣泛用作典型贗電容型超級電容器。然而，由于過渡金屬氧化物差的導電性，電極的整體導電性會隨著大量過渡金屬氧化物的加入而變差。此外，過量的異質金屬/金屬氧化物會產生大量有缺陷的結構，導致結構損壞和機械穩定性降低。因此，必須合理控制金屬/金屬氧化物負載，同時獲得木質基電極的多孔結構、各向異性和機械性能，以便制造受益于金屬氧化物贗電容性能的高性能超級電容器。通過電沉積、導電劑聚合物包覆、水熱處理等精心設計的導電網絡結構實現了高性能的木質基厚電極超級電容器的構筑（圖5）。

圖6 以木材為靈感的新一代厚電極實用功能設計的挑戰與未來展望

  接下來，討論了其他方法來制造類木材結構的厚電極，包括選擇性蝕刻法、模板法、水熱法、密度壓實法、自組裝法和溶膠-凝膠法。選擇最合適的制造方法，甚至是兩種或兩種以上方法的組合，對于實現木結構與功能材料之間的協同作用至關重要。最后，以木材為靈感的厚電極作為下一代超級電容器的未來發展可以從三個不同的方面來考慮: i)穩定和可穿戴電子產品，ii)與人工智能技術的集成以實現最佳設計，以及iii)擴展到其他儲能系統。

  全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01241