我所開發出基于水系／有機混合電解液的耐低溫微型超級電容器

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近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊和大連交通大學王韶旭教授團隊合作，在低溫高壓水系/有機混合電解液開發方面取得新進展，開發出了一種具有寬電化學穩定窗口、耐低溫、低成本的混合電解液，構筑出耐低溫高性能微型超級電容器。

水系電解質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備和規模化儲能等領域具有廣闊的應用前景。然而，由于水系電解液的電化學穩定窗口過窄，以及較高凝固點引起的易結冰等問題，導致該體系儲能器件能量密度較低，低溫下電化學性能衰減嚴重，限制了其進一步應用。高濃鹽電解液的應用有效拓寬了水系電解質的電化學穩定窗口，并且具有優異的抗凍性能，但是，其應用受到鹽溶解度低和成本高的限制。此外，高濃鹽電解液通常還存在粘度高和離子電導率低等問題。

本工作中，科研人員通過在水系電解液中引入CaCl₂和乙二醇添加劑，獲得了一種中等濃度的（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氫鍵的水分子的數量，而乙二醇的添加則可減少鈣離子第一溶劑化殼層中H₂O分子的數量，并破壞水分子之間形成的氫鍵網絡，從而使所設計的混合電解液具有3.5V的寬電化學穩定性窗口和低于-120 ℃的凝固點。此外，研究發現，基于此電解液所構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%，并且具有優異的循環性能，在此溫度下運行兩萬圈后，容量保持率達98.5%。此項研究工作為低溫儲能器件電解液的設計提供了新思路。

該工作以“A low-cost moderate-concentration hybrid electrolyte of introducing CaCl₂ and ethylene glycerol enables low-temperature and high-voltage micro-supercapacitors”為題，發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。該工作的第一作者是我所508組聯合培養碩士研究生楊恩典和副研究員師曉宇。上述工作得到了國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 楊恩典、師曉宇）

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313395