寬窗口水系超級電容器設計新策略

楊全紅

1天津大學化工學院，天津 300350

2化學工程聯合國家重點實驗室(天津大學)，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儲能器件，在具有功率密度高、快速充放電能力強、循環穩定性好等優點的同時，也具有能量密度過低的缺點。擴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，已受到電化學儲能技術領域科研人員越來越多的關注。

中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室閻興斌研究員團隊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，從而實現了倍率性能和穩定性更好的水系超級電容器器件的構筑2。近期，該團隊將不同種類有機溶劑引到LiTFSI鋰鹽WIS電解液中，結合實驗與計算結果深入研究了有機溶劑添加劑對WIS電解液電導率、粘度及電化學穩定窗口等性能的影響，進而獲得最佳溶劑選型；利用構建三元相圖的方法系統地探究了混合電解液中鹽、水、有機溶劑的比例對其溶解性、可燃性和電導率等性能的影響規律，并篩選出綜合性能最佳的電解液配方3。這種利用構建三元相圖篩選電解液的方法可以為電解液性能優化提供理論指導。此外，該團隊還發現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筑出了在高于水的沸點溫度環境條件下(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電解液的實際應用。鑒于此，該研究團隊利用價格低廉的NaClO4來代替LiTFSI鋰鹽，也成功地開發出了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等期刊上在線發表2-6。該系列工作不僅為開發基于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展提出了一種有效的策略。