近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)與納米與界面催化研究組研究員傅強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，在高濃度ZnCl2電解液中加入具有雙極性氧化還原電對(duì)的ZnI2電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在石墨烯正負(fù)極同時(shí)引入贗電容，構(gòu)筑出高容量、長循環(huán)水系石墨烯基微型超級(jí)電容器。
石墨烯基微型超級(jí)電容器結(jié)合了二維石墨烯超薄柔韌的特性與平面構(gòu)型器件的優(yōu)勢(shì)，可以最大化進(jìn)行電荷存儲(chǔ)。但是，石墨烯有限的雙電層容量和水系電解液較窄的電壓窗口極大限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。在電解液中加入氧化還原電對(duì)，是提高石墨烯基微型超級(jí)電容器性能的一種簡單高效方式。然而，已報(bào)道的氧化還原電對(duì)通常只在單電極（正或負(fù)極）發(fā)生反應(yīng)，使得正負(fù)電極容量失配而導(dǎo)致容量提升有限。因此，如何合理設(shè)計(jì)電解液，在正負(fù)極同時(shí)引入法拉第反應(yīng)并維持較高的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性，是目前提高水系石墨烯基微型超級(jí)電容器應(yīng)用研究的主要瓶頸之一。
大連化物所利用雙極性氧化還原電對(duì)顯著提高石墨烯基微型超級(jí)電容器贗電容性能
本工作中，合作團(tuán)隊(duì)通過在15mol/Kg的ZnCl2水系電解液中加入1mol/Kg的ZnI2添加劑，開發(fā)出一種具有雙極性氧化還原電對(duì)（I-/I2和Zn/Zn2+）的高濃鹽水系電解液。研究發(fā)現(xiàn)，具有匹配電荷的I-和Zn2+可以分別在正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引入贗電容從而提高電極容量；以電化學(xué)剝離的石墨烯為電極，構(gòu)筑出石墨烯基微型超級(jí)電容器，體積比容量可達(dá)106mAh/cm3，能量密度可達(dá)111mWh/cm3，并在循環(huán)5300圈以后具有92%的容量保持率，性能優(yōu)于已報(bào)道的石墨烯基微型超級(jí)電容器?；谠伙@微成像和在線電化學(xué)拉曼光譜表征，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)高濃度電解液中Zn2+與水分子之間相互作用增強(qiáng)，抑制了析氫反應(yīng)和副反應(yīng)的發(fā)生，因此拓寬了水系電解液的電壓窗口、降低了電解液的冰點(diǎn)，使得器件在-20 仍表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能；同時(shí)，電解液中的I-離子可與Zn2+配位形成[ZnIx(OH2)4-x]2-x，減少了充放電過程中多碘離子（I3-和I5-）的形成和擴(kuò)散，有效抑制了自放電的發(fā)生，提高了庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為新型水系電解液的設(shè)計(jì)，以及提高微型超級(jí)電容器性能的策略提供了研究思路。
相關(guān)成果以“Water-in-Salt Ambipolar Redox Electrolyte Extraordinarily Boosting High Pseudocapacitive Performance of Micro-supercapacitors”為題，于近日發(fā)表在ACS Energy Letters上。該工作的共同第一作者是大連化物所博士后孟彩霞和508組周鋒副研究員。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、大連化物所科研創(chuàng)新基金、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院—榆林學(xué)院聯(lián)合基金等項(xiàng)目的資助。
