SINS結(jié)合DFT原位揭示離子液體在石墨烯電極上的雙電層動態(tài)行為

雙電層電容器（EDLCs）因快速充放電和高循環(huán)穩(wěn)定性而備受關(guān)注，但其能量密度受限于電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口。傳統(tǒng)水系電解液易分解，難以高電壓運行。離子液體（ILs）因?qū)掚娀瘜W(xué)窗口、高熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)可調(diào)性，成為理想候選材料，但其在電極表面的雙電層（EDL）結(jié)構(gòu)與動態(tài)行為尚不清晰。

為此，美國勞倫斯伯克利國家實驗室團(tuán)隊采用同步輻射紅外納米光譜（SINS）結(jié)合密度泛函理論（DFT）計算，構(gòu)建石墨烯封裝的電化學(xué)液體池，原位表征三種咪唑類ILs在電極界面的行為。研究發(fā)現(xiàn)：陰離子尺寸增大或C≡N基團(tuán)增多時，ν(C≡N)峰發(fā)生藍(lán)移（最大27 cm?1），表明界面陰離子趨于緊湊排列。

施加偏壓后，陰陽離子發(fā)生定向重排，如[BMIM][C(CN)?]中陰離子從垂直轉(zhuǎn)為面內(nèi)平行取向，改變了振動耦合。DFT計算證實，緊湊的EDL結(jié)構(gòu)（陰離子平行于陽離子）有利于提升電容性能。該工作揭示了離子界面排列與儲能性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為設(shè)計高性能IL電解質(zhì)提供了理論與實驗依據(jù)