宽窗口水系超级电容器设计新策略

杨全红

1天津大学化工学院，天津 300350

2化学工程联合国家重点实验室(天津大学)，天津 300072

基于LiTFSI锂盐的水/乙腈混合电解液的三元相图。

超级电容器作为一种新型的电化学储能器件，在具有功率密度高、快速充放电能力强、循环稳定性好等优点的同时，也具有能量密度过低的缺点。扩展器件的工作电压窗口是有效提升器件能量密度的一种方法，而电解液的稳定工作电压范围对器件的工作电压窗口有着重要影响。近年来，“盐包水”(Water-in-Salt，WIS)作为一种新型高电压水系电解液1，已受到电化学储能技术领域科研人员越来越多的关注。

中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室阎兴斌研究员团队首先通过将共溶剂乙腈加入到最典型的LiTFSI锂盐的WIS电解液中，解决了WIS电解液离子传输能力较差的缺点，从而实现了倍率性能和稳定性更好的水系超级电容器器件的构筑2。近期，该团队将不同种类有机溶剂引到LiTFSI锂盐WIS电解液中，结合实验与计算结果深入研究了有机溶剂添加剂对WIS电解液电导率、粘度及电化学稳定窗口等性能的影响，进而获得最佳溶剂选型；利用构建三元相图的方法系统地探究了混合电解液中盐、水、有机溶剂的比例对其溶解性、可燃性和电导率等性能的影响规律，并筛选出综合性能最佳的电解液配方3。这种利用构建三元相图筛选电解液的方法可以为电解液性能优化提供理论指导。此外，该团队还发现LiTFSI锂盐基WIS电解液具有极好的吸水和保水能力，并基于此特性成功构筑出了在高于水的沸点温度环境条件下(120 °C)仍然可以正常工作的柔性超级电容器4。

LiTFSI锂盐价格昂贵、且在WIS电解液体系中用量大，这必将限制LiTFSI基WIS电解液的实际应用。鉴于此，该研究团队利用价格低廉的NaClO4来代替LiTFSI锂盐，也成功地开发出了2.3 V的水系高倍率超级电容器5；采用水/乙腈混合电解液的策略进一步将器件的工作电压窗口提升到了2.5 V，从而赋予了器件更高的能量密度6。

上述相关研究成果近期分别在Energy &Environmental Science、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A、Energy Storage Materials等期刊上在线发表2-6。该系列工作不仅为开发基于WIS电解液的超级电容器提供了一种普适性的方法，而且为加快宽窗口水系超级电容器的发展提出了一种有效的策略。