近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥、副研究員周鋒團隊與中國科學院院士、中國科學院深圳先進技術研究院研究員成會明團隊合作，在低溫電化學儲能研究方面取得新進展。團隊提出了一種溫度不敏感的“強—弱配位溶劑化”電解液設計策略，并將其與富介孔碳電極材料設計策略相結合，開發出了適用于超低溫（?80°C）的雙電層電容器。相關成果發表在《能源與環境科學》。
隨著電化學儲能設備的廣泛應用，極端條件下的電化學性能衰退乃至失效等問題亟待解決。相較于鋰離子電池在低溫下面臨的緩慢離子傳輸動力學及枝晶生長導致的壽命衰減等問題，雙電層電容器基于離子物理吸附/脫附的儲能機理，有望克服電化學儲能器件的低溫應用瓶頸。然而，其性能受限于電解液凝固點高、離子電導率低、電化學穩定性差，以及電極材料內離子傳輸受限等挑戰。
本工作中，團隊選用乙腈作為強配位溶劑，以削弱離子液體中陰陽離子間的相互作用，提高體系的離子電導率。同時，團隊選用具有超低凝固點與高電化學穩定性的弱配位稀釋劑——1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚作為“外部屏蔽層”，以降低體系凝固點，從而實現了電解液在耐高壓、高離子電導率與超低凝固點方面的兼容。在電極材料方面，團隊設計了富含介孔的活性炭，以促進離子在低溫下的快速傳輸，進而減輕因孔道傳輸受限所導致的電容損失。基于此，團隊構建的雙電層電容器在?80 °C與4.5 V電壓下實現了104.5 Wh·kg-1的能量密度，10000次循環后容量保持率為89.5%。此外，300 F軟包雙電層電容器在25 °C至?80 °C范圍內可穩定運行，進一步驗證了其實際應用潛力。
該工作不僅驗證了一種可行的電解液—電極協同設計策略，也為極端低溫下電化學儲能器件的應用提供了參考。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D5EE06850A