摘要
超级电容器作为一种重要的能量存储器件，吸引了来自学术界和工业界的广泛的关注，主要是因为它们具有优异的性能，如功率密度大、充放电快速、循环寿命长以及出色的安全性。 过去十年我们见证了原位电子显微镜技术在锂离子电池(LiBs)研究中的广泛应用，这有助于我们实时了解各种电极材料的结构和化学演化。而超级电容器的工作电极在充放电过程中几乎不像锂离子电池那样呈现出明显的尺寸和结构的变化，因此很少对其进行基于原位电镜的观察与研究。在本文中，我们在扫描电子显微镜和透射电子显微镜中搭建了微型超级电容器，并利用X射线能量色散谱(EDS)对电解质中的硫酸盐离子在碳基纳米电极上的扩散和吸收过程进行了可视化表征;并对由离子液体和碳基材料组成的微型超级电容器的电化学性能进行了测试。主要研究结果如下: 利用扫描电镜的元素面扫功能(EDS mapping)直接“看到”在外部偏压或是浓度梯度的驱动下，硫酸根离子在石墨烯电极和固态电解质之间的扩散过程。这些结果表明施加的电压对SO42-在电解质/石墨烯界面周围区域的扩散和分布起到主导作用。此外，在扫描电镜中搭建了由离子液体电解质和复合纳米碳纤维电极组成的超级电容器，其电化学性能测试表现出近似矩形的循环伏安曲线;进一步探索验证了适当的增加电解质与电极材料的有效接触面积可以提高电容容量。 首次在透射电镜中搭建单根复合纳米碳纤维组成的超级电容器，并研究了碳纤维中不同金属和金属氧化物颗粒对电解质离子分布的影响。研究发现硫酸根离子优先吸附在碳纤维中的Ni或NiO颗粒上，揭示出硫酸根离子在复合纳米碳纤维上的选择性吸附，这将有助于理解赝电容产生的微观机制。此外，对样品施加反向电压，复合碳纤维上的S元素的分布没有发生明显变化。这可以部分解释赝电容在循环过程中存在循环稳定性差和容量衰减快的原因。更为重要的是，我们相信基于原位电镜的元素成像技术不仅对于超级电容器，对于其他相关系统中离子扩散和吸附过程的研究也将具有重要意义。
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