图3、随机3D碳材料电极

虽然随机的 3D结构与2D结构相比可以提高电容，但粗糙的孔结构使离子难以吸附到材料的整个表面；这极大地限制了其性能的改进。因此，设计具有通畅通道结构和丰富比表面的三维材料对提高电容器的性能非常重要。

2.3 立式三维碳材料

图4、垂直碳材料电极

垂直3D碳材料可以为离子的最短直线路径和丰富的电荷存储位点提供严格开放的通道和丰富的表面积，有利于优异的电化学性能。进一步设计垂直碳材料的微观结构可以提高 EC 的性能。

小结与展望

根据材料种类，构成电极的碳材料主要有导电炭黑、碳纳米管、石墨烯及其化合物。根据该制备方法，电极材料可以由碳粉材料通过物理方法制备，如过滤制备薄膜，冷冻干燥制备多孔结构，也可以直接通过化学气相沉积制备，如石墨烯薄膜生长。通过 CVD 和通过 PECVD 生长的垂直石墨烯。物理方法使电极材料的结构设计更加灵活，而CVD制备的材料的固有性能更好。从结构上看，碳相关电极主要分为二维平面薄膜，一种取向无序的复合材料，和垂直排列的碳材料。与材料类型和制备方法相比，电极材料的结构设计对电容器性能的影响最为显着。

本文主要讨论了不同结构的碳电极对电容器性能的影响。应该强调的是，相位角和比电容是评估超快 EC 的两个最重要的参数。因此，作者主要比较了不同结构的碳基电极对相位角和比电容的影响。相角与材料孔隙结构中的离子传输密切相关，比电容由材料的比表面积决定。同时，电容器的响应速度与电极材料的电导率和电阻有关。

在平面薄膜电极中，碳材料层层紧密组装，因此该结构中电解质的传输路径又长又曲折，为电荷存储提供的有效面积有限。因此，薄膜电极的比电容难以满足滤波电容的要求。无序的三维结构有更多的通道，有利于离子和电荷的转移；但仍陷入孔隙结构不连续、电极比表面积不足的困境，比电容没有明显提高。相比之下，碳电极的垂直结构显示出明显的优势。高度有序和垂直的纳米结构为离子传输提供了畅通无阻的通道，以及众多的活性位点和离子吸附/解吸。因此，基于垂直碳材料的电极产生快速的频率响应和相当大的电容。特别是，它们的比电容在保持大相位角的同时大大提高。所有这些结果都可以在图中找到5和表1。作者建议通过微结构设计的细微变化可以显着提高垂直碳相关电极的性能。

图5、不同结构碳电极的比电容和相位角。

除了与碳相关的电极外，一些非碳基电极也用于构建具有交流线路滤波性能的超快 EC。例如，导电聚合物材料和过渡金属基材料都是可以通过法拉第过程存储额外电荷的赝电容材料。因此，基于非碳材料的电容密度可能优于碳材料。但还应考虑赝电容材料氧化还原反应的缓慢动力学。平衡非碳材料的高电容和高频响应之间的权衡仍然是一个挑战。值得注意的是，该概念中提到的碳材料结构设计原则适用于非碳材料。相比之下，碳材料的电化学过程导致了双电层机制，可以轻松实现快速的离子吸附/解吸。此外，碳材料因其稳定性优异的优点而被广泛用作电极，导电性好，制备方法简单。电极材料的设计和选择应综合考虑。

通过巧妙的设计和可控的制备，碳相关在EC应用中表现出优异的性能。然而，碳基电容器在实际应用中仍存在一些问题有待解决。首先，垂直碳材料的结构稳定性非常重要，它取决于制备方法的可重复性。只有当碳基电容器的性能稳定时，才会被市场所接受。其次，碳基电容器的大规模制备也是一个严重的问题。只有能够批量制备碳电极，碳基电容器才能得到广泛应用。最后一个问题与电容器封装有关。封装工艺也决定了电容器的性能。所以，适当的封装技术是提高电容器性能的关键。总之，碳基电极在解决电容器领域的上述问题方面具有巨大潜力。

文献

https://doi.org/10.1002/chem.202200237