寬窗口水系超級電容器設(shè)計新策略

楊全紅

1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350

2化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072

基于LiTFSI鋰鹽的水/乙腈混合電解液的三元相圖。

超級電容器作為一種新型的電化學(xué)儲能器件，在具有功率密度高、快速充放電能力強(qiáng)、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)的同時，也具有能量密度過低的缺點(diǎn)。擴(kuò)展器件的工作電壓窗口是有效提升器件能量密度的一種方法，而電解液的穩(wěn)定工作電壓范圍對器件的工作電壓窗口有著重要影響。近年來，“鹽包水”(Water-in-Salt，WIS)作為一種新型高電壓水系電解液1，已受到電化學(xué)儲能技術(shù)領(lǐng)域科研人員越來越多的關(guān)注。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室閻興斌研究員團(tuán)隊(duì)首先通過將共溶劑乙腈加入到最典型的LiTFSI鋰鹽的WIS電解液中，解決了WIS電解液離子傳輸能力較差的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了倍率性能和穩(wěn)定性更好的水系超級電容器器件的構(gòu)筑2。近期，該團(tuán)隊(duì)將不同種類有機(jī)溶劑引到LiTFSI鋰鹽WIS電解液中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計算結(jié)果深入研究了有機(jī)溶劑添加劑對WIS電解液電導(dǎo)率、粘度及電化學(xué)穩(wěn)定窗口等性能的影響，進(jìn)而獲得最佳溶劑選型；利用構(gòu)建三元相圖的方法系統(tǒng)地探究了混合電解液中鹽、水、有機(jī)溶劑的比例對其溶解性、可燃性和電導(dǎo)率等性能的影響規(guī)律，并篩選出綜合性能最佳的電解液配方3。這種利用構(gòu)建三元相圖篩選電解液的方法可以為電解液性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。此外，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)LiTFSI鋰鹽基WIS電解液具有極好的吸水和保水能力，并基于此特性成功構(gòu)筑出了在高于水的沸點(diǎn)溫度環(huán)境條件下(120 °C)仍然可以正常工作的柔性超級電容器4。

LiTFSI鋰鹽價格昂貴、且在WIS電解液體系中用量大，這必將限制LiTFSI基WIS電解液的實(shí)際應(yīng)用。鑒于此，該研究團(tuán)隊(duì)利用價格低廉的NaClO4來代替LiTFSI鋰鹽，也成功地開發(fā)出了2.3 V的水系高倍率超級電容器5；采用水/乙腈混合電解液的策略進(jìn)一步將器件的工作電壓窗口提升到了2.5 V，從而賦予了器件更高的能量密度6。

上述相關(guān)研究成果近期分別在Energy &Environmental Science、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A、Energy Storage Materials等期刊上在線發(fā)表2-6。該系列工作不僅為開發(fā)基于WIS電解液的超級電容器提供了一種普適性的方法，而且為加快寬窗口水系超級電容器的發(fā)展提出了一種有效的策略。