近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)和大連交通大學(xué)王韶旭教授團(tuán)隊(duì)合作，在低溫高壓水系/有機(jī)混合電解液開發(fā)方面取得新進(jìn)展，開發(fā)出了一種具有寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口、耐低溫、低成本的混合電解液，構(gòu)筑出耐低溫高性能微型超級(jí)電容器。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上。
水系電解質(zhì)具有本征安全的特性。因此，水系微型儲(chǔ)能器件在便攜式微型電子設(shè)備和規(guī)模化儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于水系電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口過窄，面臨著較高凝固點(diǎn)引起的易結(jié)冰等問題，導(dǎo)致該體系儲(chǔ)能器件能量密度較低，低溫下電化學(xué)性能衰減嚴(yán)重，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。高濃鹽電解液的應(yīng)用有效拓寬了水系電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，并且具有優(yōu)異的抗凍性能，但是，其應(yīng)用受到了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(dǎo)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寬電位窗口、耐低溫電解液。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，CaCl2的引入可最大限度地減少具有強(qiáng)氫鍵的水分子的數(shù)量，而乙二醇的添加則可減少鈣離子第一溶劑化殼層中水分子的數(shù)量，并破壞水分子之間形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而使所設(shè)計(jì)的混合電解液具有3.5V的寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口和低于-120℃的凝固點(diǎn)。此外，研究發(fā)現(xiàn)，基于此電解液所構(gòu)筑的微型超級(jí)電容器可提供1.6V的高電壓，在-40 °C時(shí)的容量保持率是室溫下的62%，并且具有優(yōu)異的循環(huán)性能，在此溫度下運(yùn)行兩萬圈后，容量保持率達(dá)98.5%。
該研究工作為低溫儲(chǔ)能器件電解液的設(shè)計(jì)提供了新思路。
