低浓度水系-非质子电解液助力锌离子混合超级电容器具有高工作电压和长寿命

1. 研究背景

1.1 超级电容器的优势与挑战

1.1.1 超级电容器的优势

• 超级电容器具有高输出功率和长寿命等优点，弥补了传统电容器与可充电电池之间的差距。
• 在商业应用中，超级电容器被广泛应用于电动汽车、电网储能等领域。
• 超级电容器在快速充放电、长寿命、高功率密度等方面具有显著优势。

1.1.2 超级电容器面临的挑战

• 超级电容器的工作电压较低，限制了其能量密度的提升。
• 超级电容器在大电流充放电时的性能衰减问题尚未得到有效解决。
• 超级电容器在极端温度条件下的性能稳定性有待提高。

1.2 锌离子混合超级电容器的研究意义

1.2.1 锌离子混合超级电容器的优势

• 锌离子混合超级电容器利用锌金属负极和电化学活性物质正极，实现了高比容量和低氧化还原电位。
• 锌离子混合超级电容器在保持高功率密度的同时，具有较高的能量密度。
• 锌离子混合超级电容器在成本和资源方面具有优势，有助于大规模商业化应用。

1.2.2 锌离子混合超级电容器面临的挑战

• 锌离子混合超级电容器的工作电压受到电解液电化学窗口的限制。
• 锌离子混合超级电容器在循环充放电过程中，负极锌金属容易发生腐蚀和析氢反应，导致性能衰减。
• 锌离子混合超级电容器在极端温度条件下的性能稳定性有待提高。

2. 本文亮点

2.1 低浓度水系电解液的优势

2.1.1 低浓度电解液的电化学性能

• 低浓度水系电解液具有较宽的电化学窗口，有利于提高锌离子混合超级电容器的工作电压。
• 低浓度电解液降低了电解液的粘度，提高了离子迁移率和电导率。
• 低浓度电解液减轻了电解液对锌负极的腐蚀和析氢反应，提高了循环稳定性。

2.1.2 低浓度电解液的温度性能

• 低浓度电解液在极端温度条件下仍能保持良好的电化学性能。
• 低浓度电解液在-30°C的低温条件下，仍能实现高库伦效率和良好的循环稳定性。
• 低浓度电解液在高温条件下，仍能保持良好的离子迁移率和电导率。

2.2 非质子电解液的优势

2.2.1 非质子电解液的溶剂化结构

• 非质子电解液中的乙腈分子与Zn阳离子具有较强的相互作用，调控了电解液的溶剂化结构。
• 非质子电解液中的乙腈分子形成的配位壳层，抑制了Zn腐蚀和HER，提高了整体电化学性能。
• 非质子电解液中的乙腈分子促进了阴极稳定性和离子迁移，提高了电解液的导电性。

2.2.2 非质子电解液的低温性能

• 非质子电解液在极端温度条件下仍能保持良好的电化学性能。
• 非质子电解液在-30°C的低温条件下，仍能实现高库伦效率和良好的循环稳定性。
• 非质子电解液在高温条件下，仍能保持良好的离子迁移率和电导率。

3. 内容简介

3.1 电解液工程的重要性

3.1.1 电解液工程在超级电容器中的应用

• 电解液工程是提高水系超级电容器能量密度和循环寿命的有效策略。
• 通过电解液工程，可以实现超级电容器性能的提升，满足不同应用场景的需求。

3.1.2 电解液工程的发展趋势

• 电解液工程正朝着提高电解液稳定性、扩大电化学窗口、抑制副反应等方面发展。
• 电解液工程在提高超级电容器性能的同时，也在不断降低成本，实现商业化应用。

3.2 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的应用

3.2.1 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的优势

• 电解液工程通过调控电解液的溶剂化结构，实现了锌离子混合超级电容器性能的提升。
• 电解液工程在提高锌离子混合超级电容器工作电压的同时，也提高了其循环稳定性。
• 电解液工程在极端温度条件下，保持了锌离子混合超级电容器的良好性能。

3.2.2 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的发展趋势

• 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的应用将继续朝着提高电解液稳定性、扩大电化学窗口、抑制副反应等方面发展。
• 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的应用将不断降低成本，实现商业化应用。

4. 图文导读

4.1 Zn负极在0.5 m Zn(CF₃SO₃)₂+1 m LiTFSI H₂O/AN电解液中的电化学性能

4.1.1 Zn负极的Tafel曲线

• Zn负极在0.5 m + 1 m-H₂O/AN电解液中的Tafel曲线表明析氢副反应被有效抑制。
• Zn负极在参考的水系电解液中的Tafel曲线则显示出较高的析氢反应。

4.1.2 Zn负极的腐蚀电流曲线

• Zn负极在0.5 m + 1 m-H₂O/AN电解液中的腐蚀电流曲线波动明显降低，意味着电偶腐蚀的降低。
• Zn负极在参考的水系电解液中的腐蚀电流曲线波动则较大。

4.1.3 Zn负极的库伦效率

• Zn负极在0.5 m + 1 m-H₂O/AN电解液中保持较高的库伦效率，表明其具有良好的充放电性能。
• Zn负极在参考的水系电解液中的库伦效率则迅速下降。

4.2 Zn离子混合超级电容器在0.5 mZn(CF₃SO₃)₂+1m LiTFSI H₂O/AN电解液中的电化学性能

4.2.1 Zn离子混合超级电容器的恒流充放电曲线

• Zn离子混合超级电容器在0.5 m + 1 m-H₂O/AN电解液中的恒流充放电曲线保持了线性和对称性，表明其具有良好的充放电性能。
• Zn离子混合超级电容器在参考的水系电解液中的充放电曲线则显示出一定的电压迟滞。

4.2.2 Zn离子混合超级电容器的倍率性能

• Zn离子混合超级电容器在0.5 m + 1 m-H₂O/AN电解液中的倍率性能良好，CV曲线保持了准矩形的规则形状。
• Zn离子混合超级电容器在参考的水系电解液中的倍率性能则较差。

4.2.3 Zn离子混合超级电容器的循环稳定性

• Zn离子混合超级电容器在0.5 m + 1 m-H₂O/AN电解液中可以稳定循环超过120000次，表明其具有超长的循环寿命。
• Zn离子混合超级电容器在参考的水系电解液中的循环稳定性则较差。

4.3 Zn(CF₃SO₃)₂ + LiTFSI H₂O/AN电解液的溶剂化结构

4.3.1 分子动力学模拟

• 通过分子动力学模拟，可以观察到不同电解液中离子与溶剂分子的相互作用。
• 分子动力学模拟有助于理解电解液的溶剂化结构及其对超级电容器性能的影响。

4.3.2 电解液的电子结构

• 电解液的电子结构对其性能具有重要影响。
• 通过理论计算，可以分析电解液的电子结构，理解其对超级电容器性能的调控作用。

4.3.3 电解液的离子迁移率

• 电解液的离子迁移率对其性能具有重要影响。
• 通过理论计算，可以分析电解液的离子迁移率，理解其对超级电容器性能的调控作用。

5. 总结

5.1 电解液工程的重要性

• 电解液工程是提高水系超级电容器能量密度和循环寿命的有效策略。
• 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的应用具有重要意义。

5.2 电解液工程的发展趋势

• 电解液工程将继续朝着提高电解液稳定性、扩大电化学窗口、抑制副反应等方面发展。
• 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的应用将不断降低成本，实现商业化应用。

5.3 电解液工程的应用前景

• 电解液工程在锌离子混合超级电容器中的应用具有广阔的应用前景。
• 电解液工程在提高锌离子混合超级电容器性能的同时，也将推动其在电动汽车、电网储能等领域的商业化应用。

作者简介

黄勃龙，本文通讯作者，香港理工大学副教授，主要研究领域纳米材料、能源材料、固体功能材料和稀土材料的电子态性质，以及在能源材料纳米表界面、多尺度下的能源转换应用等。

张文军，本文通讯作者，香港城市大学讲席教授，主要研究领域薄膜技术、纳米材料和器件。