大連化物所等開發(fā)出耐低溫微型超級電容器 圖/中科院

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊，聯(lián)合大連交通大學(xué)教授王韶旭團(tuán)隊，在低溫高壓水系/有機(jī)混合電解液開發(fā)方面取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊開發(fā)出具有寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口、耐低溫、低成本的混合電解液，構(gòu)筑出耐低溫高性能微型超級電容器。

水系電解質(zhì)具有本征安全的特性，因此水系微型儲能器件在便攜式微型電子設(shè)備和規(guī)模化儲能等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。然而，水系電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口過窄以及較高凝固點引起的易結(jié)冰等問題，導(dǎo)致該體系儲能器件能量密度較低，低溫下電化學(xué)性能衰減嚴(yán)重，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。高濃鹽電解液的應(yīng)用有效拓寬了水系電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，并具有優(yōu)異的抗凍性能，但其應(yīng)用受到鹽溶解度低和成本高的限制。此外，高濃鹽電解液通常存在粘度高和離子電導(dǎo)率低等問題。

該研究通過在水系電解液中引入CaCl₂和乙二醇添加劑，獲得了中等濃度的（3.86m CaCl₂+1m LiCl）寬電位窗口、耐低溫電解液。實驗和理論分析表明，CaCl₂的引入可最大限度地減少具有強(qiáng)氫鍵的水分子的數(shù)量，而乙二醇的添加則可減少鈣離子第一溶劑化殼層中H₂O分子的數(shù)量，并破壞水分子之間形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使得所設(shè)計的混合電解液具有3.5V的寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口和低于-120 ℃的凝固點。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，基于該電解液所構(gòu)筑的微型超級電容器可提供1.6V的高電壓，在-40 °C時的容量保持率是室溫下的62%，同時具有優(yōu)異的循環(huán)性能，在此溫度下運行兩萬圈后，容量保持率達(dá)98.5%。上述成果為低溫儲能器件電解液的設(shè)計提供了新思路。

相關(guān)研究成果以A low-cost moderate-concentration hybrid electrolyte of introducing CaCl₂?and ethylene glycerol enables low-temperature and high-voltage micro-supercapacitors為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。