超級電容器是重要的儲能器件, 因能量密度低, 致使其應用受到了限制. 提升超級電容器能量密度的有效策略是使用具有寬電壓窗口的有機電解液. 但是, 常規有機電解液成本高, 電導率低, 且存在安全隱患. 相對而言, 水系電解液具有安全, 成本低, 易操作的特點. 但水系電解液的電壓窗口窄, 造成水系超級電容器能量密度低.
最近, 研究人員發展了一類具有大穩定電壓窗口的高濃度 'water in salt' 水系電解液. 但是, 該類電解液存在粘度高, 電導率低, 不適用於低溫等問題, 極大地限制了使用該類電解液製備的超級電容器的性能. 綜上所述, 設計新的電解液體系, 製備安全, 寬電壓窗口, 高電導率, 寬應用溫度範圍的電解液, 必將有助於改善超級電容器的性能.
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研究員閻興斌團隊開發了一種製備混合電解液的方法. 通過向典型的 'water in salt' (WIS; 21 m LiTFSI/H2O) 電解液加入共溶劑乙腈, 製備了 'acetonitrile/water in salt' (AWIS) 混合電解液. 與WIS電解液相比, AWIS混合電解液粘度低, 電導率高, 應用溫度範圍寬. 同時, AWIS混合電解液保持了寬電壓窗口, 不可燃和易操作的特點. 使用該AWIS混合電解液, 研究人員組裝了安全, 寬窗口, 高倍率的超級電容器.
該工作提供了一種將鹽與水/有機溶劑混合製備新型電解液的策略, 基於該策略製備的電解液有望用於構築高性能儲能器件, 如超級電容器, 金屬離子混合電容器以及金屬離子電池. 研究工作近期線上發表於《能源與環境科學》 (Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/C8EE01040D).
以上工作得到了國家自然科學基金, 中科院 '一三五' 戰略規劃重點培育項目和中科院西部之光的資助和支援.
圖1. AWIS電解液物理化學性質
圖2. 電解液結構分析
圖3. 超級電容器電化學性能
