电化学电容器主要通过在高比表面积多孔碳材料的电极-电解质界面上形成电双层来实现电荷存储。在纳米限域条件下，局部电极结构、表面特性以及非静电离子-电极相互作用等因素对有效电荷存储起到了至关重要的作用。与传统的二维平面界面相比，限域条件下的部分去溶剂化以及诱导电荷现象对于提高电荷存储能力具有重要意义。
近日，中国科学院苏州纳米所邵辉副研究员与法国图卢兹第三大学Patrice Simon院士团队、四川大学林紫锋教授合作，在Nature Nanotechnology期刊发表了题为Advanced characterization of confined electrochemical interfaces in electrochemical capacitors的综述文章，全面探讨了限域电化学界面研究中的进展，阐述了电容器在纳米限域环境下的电荷存储与传输机制。
图1. 二维平面内的双电层组成
该综述详细讨论了不同表征方法在探究限域电化学界面中的应用，包括X射线小角散射、核磁共振（NMR）、原子力显微镜（AFM）、电化学石英晶体微天平（EQCM）等技术。这些方法使得研究者能够实时观测电荷存储过程中的离子迁移、离子浓度变化及界面电荷的分布情况。研究显示，限域空间中的离子通量受电极孔径、表面电荷以及局部无序结构的显著影响，且这些因素共同作用决定了离子的存储和传输行为。此外，文章强调了零电荷电势在纳米限域体系中的设计原则，这一参数对于调控离子通量和碳材料与电解质之间的相互作用起到了关键作用。
图2. 限域环境下的双电层
文章还探讨了纳米多孔碳材料在限域条件下的独特电化学特性，尤其是当电解质离子被限制在小于1纳米的孔径中时，电荷存储电容得到了显著提升。通过实验观测与分子动力学模拟，研究人员发现这一现象源于孔内空间限制对长程相互作用的削弱，从而缩短了离子屏蔽长度并增强了离子与碳壁的相互作用。综述最后，研究团队提出，开发新型高效快充能源存储材料，需要从纳米尺度的限域电荷存储机制入手，结合局部电极材料结构的优化与先进表征技术的应用。特别是如何在纳米限域环境中实现离子的快速传输与高效存储，将是未来电化学电容器材料研究的重要方向。
图卢兹第三大学葛康康博士为本文第一作者，中国科学院苏州纳米所邵辉副研究员、四川大学林紫锋教授、图卢兹第三大学Pierre-Louis Taberna研究员和Patrice Simon院士为本文共同通讯作者。
