超级电容器能够在秒或亚秒时间尺度上实现快速充放电，但高功率密度和长寿命周期的实现往往是以牺牲部分能量密度作为代价。最近，研究者们结合离子液体与多孔纳米碳电极的优势，在一定程度上解决了这一矛盾。但是，超级电容器的能量密度和功率密度之间的微妙平衡关系仍然未被完全理解。
　　剑桥大学石墨烯研究中心的Alexander C. Forse等人采用原位脉冲场梯度核磁共振方法测量了超级电容器电极纳米孔中的离子扩散。与体相相比，限域效应导致离子的自扩散系数降低了两个量级以上，且在充电过程中纳米孔内离子数的变化可以实现离子扩散系数的调控。此外，研究还表明电解质的浓度和纳米孔的尺寸对离子在孔内的扩散和离子在体相与孔内之间的交换有着重要影响。本论文中采用的电极为YP50F和YP80F，电解质为0.75 M 和1.5 M 的PEt4BF4，溶剂为D3CCN。

图1. 0 V 下超级电容器中的扩散系数
（图片来源：Nature Energy, 2017, 2: 16216）

　　本论文的机理研究发现可为超级电容器的实际应用提供指导，具体为：（1）充电过程中，孔内离子数的变化引起Ion-ion作用变化，导致孔内离子扩散的变化，归因于位阻效应和静电效应。（2）孔内离子数可以调控孔内的离子扩散，该发现对于控制超级电容器的充电速率有着重要意义。如果充电机制(离子交换，反离子吸附，共离子解吸，即充电机理因子X)可以控制，将可能为改善超级电容器的充电动力学提供新方法。

图2. 不同电压下超级电容器中的扩散系数
（图片来源：Nature Energy, 2017, 2: 16216）

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原文链接：

https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.216

原文作者：

Alexander C. Forse, John M. Griffin, Céline Merlet, Javier Carretero-Gonzalez, Abdul-Rahman O. Raji, Nicole M. Trease and Clare P. Grey*