基於多孔活性炭材料和離子液體電解質的雙電層電容器具有快速充放電, 良好迴圈穩定性和寬工作電壓窗口等優點, 是一種極具前景的電化學儲能器件. 研究EDLC在離子液體中的儲能機理, 尤其是表徵離子液體陰陽離子各自本徵結構對多孔活性炭電容特性的影響作用機制, 從微觀層面揭示儲能機理, 對恰當選擇離子液體, , 進而合理構築高性能EDLC具有重要指導意義.
近日, 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團隊在對EDLC在離子液體儲能機理的研究中取得重要進展. 研究人員製備出4種納米二氧化矽接枝的離子液體, 利用充放電過程中只允許離子液體的一種離子自由進出活性炭孔道的特點, 實現了對陰陽離子分別進行分析的目的. 其成果可為研究EDLC中離子液體陰陽離子各自的儲能行為提供新策略.
二氧化矽接枝離子液體的結構特點是, 一種離子 (陽離子BMIM +, NBu 4+或陰離子NTf 2–, PF 6–) 是自由的; 而起平衡電荷作用的帶反電荷離子: 三氟甲磺醯亞胺陰離子 (NTf –) 和甲基咪唑陽離子 (MIM +) , 以共價鍵的方式連接到尺寸在7nm的二氧化矽納米顆粒上. 該研究所選活性炭材料絕大部分孔的孔徑小於4nm, 使得連接到二氧化矽的離子被擋在活性炭孔道外面, 而待測自由離子 (陽離子BMIM + , NBu 4+或陰離子NTf 2–, PF 6–) 可通過孔道. 在此基礎上, 簡單的電化學測試即可實現對自由進入孔道離子的定量分析, 即利用迴圈伏安曲線電流的大小直接反應離子貢獻的容量.
基於以上方法, 研究團隊發現, 以商用活性炭YP-50F為電極, 可以表徵陽離子BMIM +, NBu 4+和陰離子NTf 2–, PF 6–各自貢獻的容量以及每種離子貢獻容量的特定電壓窗口. 使用石英晶體微天平 (EQCM) , 研究人員進一步表徵了活性炭YP-50F在離子液體 (BMIM-NTf 2) 的儲能機理, 並結合BMIM +和NTf 2–各自的電化學性質, 對儲能機理進行了更深層次的解釋.
相關研究成果發表在《自然-通訊》上. 該研究得到了國家自然科學基金, 蘭州化物所 '一三五' 重點培育項目的資助.
圖1.策略示意圖. a: 二氧化矽接枝離子以及自由離子結構示意圖; b: 二氧化矽透射電鏡圖; c: 活性炭孔徑分布圖; d: 活性炭在三種不同電解液中的儲能示意圖, 從上到下依次為陰離子自由, 陽離子固定, 陽離子自由, 陰離子固定, 陰陽離子均自由
圖2.活性炭YP-50F電極在四種不同電解液中的迴圈伏安曲線.a-d依次為SiO 2-IL-BMIM, SiO 2-IL-NTf 2, SiO 2-IL-NBu 4, SiO 2-IL-PF6
圖3.結合表徵出的陰陽離子各自性質以及石英晶體微天平實驗對儲能機理的詳細研究
