杜显锋等在高压宽温水系超级电容器研究方面取得新进展

fox1992

非水系超级电容器(SCs)由于其宽工作电压，已成为便携式电子器件和新能源汽车应用的主要储能设备。然而，由于其安全性、高经济成本和对环境不友好等缺点阻碍了其进一步发展。水系超级电容器因其电解液具有低成本、高离子电导率、安全、环保等优点，成为非水系电解液的良好替代。但水系电解液有限的电化学稳定窗口（1.23 V）限制了它们的规模化应用。为此，研究者通过使用盐包水（WIS）电解液来减少溶剂化鞘层中的水分子，从而扩宽水系电解液的电化学稳定窗口。然而，使用这种高成本和高粘度的WIS电解液不可避免地牺牲了水系超级电容器的高功率特性和循环寿命。因此，开发一种宽电压、低成本、高性能的水系电解液已迫在眉睫。

         鉴于此，西安交通大学化学学院杜显锋教授和熊礼龙副教授团队，与西安交通大学化学学院苏亚琼研究员团队提出了一种低盐浓度(1 m Na2SO4)水系电解液，可实现3.2 V的高工作电压。这种电解液是以乙二醇（EG）作为添加剂与阳离子配位来抑制水分子在电极表面的分解。苏亚琼研究员团队借助超级计算设备，采用密度泛函理论(DFT)模型对电解质的溶剂化结构进行了理论模拟，表明EG在电极表面的吸附能力优于水分子，这一结果进一步证明，EG的添加不仅降低了电极表面的水分子含量，而且提高了电解液的电化学稳定窗口。以此电解液组装的器件在3.2 V工作电压下，循环10,000次后库仑效率高达95%，容量保持率接近100%。得益于EG的低冰点，组装的器件在-40℃下，容量保持率仅减少5%。此外，由于EG的高沸点，即使在90℃的高温下，经过10000次循环后，容量保持率高达90%以上。本研究为进一步扩大低浓度水系电解液的电化学稳定窗口提供策略，并有望从推动高工作电压、宽温度、低成本、高安全性的水系电解液进入实际应用的角度取代商业有机电解液。
           该研究成果以《超高压水系电解液用于宽温超级电容器》（Ultrahigh-voltage aqueous electrolyte for wide-temperature supercapacitors）为题发表在国际期刊《《材料化学杂志A》》（Journal of Materials Chemistry A）上。该论文第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生黄珊，共同第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生李卓、科研助理黎鹏，通讯作者为西安交通大学化学学院杜显锋教授、苏亚琼研究员、熊礼龙副教授。西安交通大学为唯一通讯单位。该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在超级电容器领域的又一研究成果，并且获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。论文的计算方面得到了苏亚琼研究员团队的大力支持。
         西安交通大学化学学院杜显锋教授和熊礼龙副教授团队长期从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。目前已在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Carbon, ACS Appl. Mater. Inter., Adv. Mater., Inorg. Chem. Front., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名学术期刊和国际会议上发表相关研究论文60余篇，申请发明专利近50项。西安交通大学化学学院计算化学平台负责人苏亚琼研究员主要致力于电子转移理论和界面化学以及光电能源催化和单/多原子催化理论研究，目前已在Science, Nature Comm., PNAS, JACS, Angew, ACS Catal.等国际期刊上发表文章130余篇。
        论文链接：
        https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta01639k
        杜显锋教授课题组主页：
        http://gr.xjtu.edu.cn/web/xianfengdu
        文章来源：西安交通大学
       杜显锋，1978年，湖北嘉鱼人，教授，博士生导师，主要从事电解电容器、锂/钠/铝离子电池、固体电解质、超级电容器等相关研究。课题组主要从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。先后承担了国家自然科学基金项目“基于脉冲阳极氧化的氧化铝结构调控与机理研究”(51777152)、“中高压腐蚀铝箔表面自组装生长钛酸铋纳米复合介质膜”(50902109)；陕西省自然科学基金项目“高能量密度超级电容器用VACNTs多级结构构筑及储能机理研究”(2021JZ-01)、“贵金属单原子的可控担载及其光解水制氢研究”(2014JM6231)、“多孔铝箔表面二氧化钛纳米介质膜的可控沉积”(2010JQ6002)；教育部留学回国人员启动基金“BaCeO3基贵金属单原子的可控担载及其光解水制氢研究”(2014回国基金10)；中央高校基本科研业务费专项资金项目“基于交流阳极氧化铝结构调控与机理研究”(XJJ2016020)、“二氧化钛/石墨烯复合催化剂的制备及光催化制氢研究”(XJJ2012076)、“垂直多孔铝箔表面纳米复合介质膜界面问题研究”(XJJ2009040)；横向合作项目“超高比容高中低压阳极铝箔工艺开发”、“人工晶状体表面疏水涂层的工艺开发”、“高比容低压阳极铝箔工艺开发”、“ALD制备多孔铝材料包覆层的工艺开发”等。以骨干成员参与了国家863计划项目“高介纳米复合氧化膜的制备与应用关键技术研究”(2013AA030803)、“高功率聚合物超级电容器材料研究”(2007AA03Z249)、“铝基高介铁电复合氧化膜制备与性能研究”(2003AA325030)；总装探索重点项目“XXX电容器材料研究”(7131103)；高校博士点专项基金项目“中高压高介电常数复合铝阳极氧化膜的制备与性能研究”(20040698016)；陕西省自然基金项目“石墨烯基超级电容器制备基础研究”(2019JLZ-09)；重大横向合作项目“中高压高介复合氧化膜制备技术”、“低压高介复合氧化膜化成技术”、“低压阳极箔的化成工艺优化研究”、“低压阳极箔耐水合优化研究”等。在Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Inter., Sci. Rep., Adv. Mater., Chem. Mater.,Chem. Commun., J. Colloid Interf. Sci., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名学术期刊和国际会议上发表相关研究论文40余篇，申请发明专利20余项，并荣获教育部科学技术进步一等奖1项。
         熊礼龙，西安交通大学副教授。主要从事功能材料与器件的应用基础研究工作。先后承担国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国博士后基金、陕西省博士后基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及多项研究所和企业横向合作项目。