山西煤化所提出抑制超級電容器自放電的電極-電解液界面電荷調(diào)控新策略
近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所蘇方遠(yuǎn)研究員團隊在超級電容器自放電機制與界面調(diào)控方面取得重要進展。研究成果以“Stabilizing the Helmholtz Layer via Surface Amination to Realize Low Self‐Discharge Supercapacitors”為題發(fā)表于《Energy Storage Materials》期刊。
研究首次明確了雙電層超級電容器未充電狀態(tài)下PC基電解液中陰離子在負(fù)極表面的自發(fā)吸附是其快速自放電的微觀起源，并采用多孔炭表面氨基化策略抑制陰離子特異性吸附，實現(xiàn)了超級電容器靜置500小時電壓保留率大于71%的自放電性能，相較于行業(yè)內(nèi)靜置72小時電壓保留率不低于80%的要求有了極大改善，為提升實際工況下超級電容器電化學(xué)性能提供了新見解。
超級電容器作為一種高功率密度、長循環(huán)壽命的儲能器件，在可再生能源的快速存儲與管理領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而其固有的自放電現(xiàn)象導(dǎo)致的電壓損失仍是制約實際應(yīng)用的重要因素。現(xiàn)有研究表明，由擴散控制的非法拉第過程引發(fā)的自放電是超級電容器自放電的主導(dǎo)因素。但電極-電解液界面陰、陽離子吸附行為差異對自放電性能的影響仍缺乏深入研究，特別是陰離子在電極表面的自發(fā)吸附是否驅(qū)動負(fù)極快速自放電，長期以來缺乏直接證據(jù)。
針對這一科學(xué)問題，研究團隊建立了聯(lián)合多維電化學(xué)原位表征框架用于揭示電解質(zhì)離子暫態(tài)吸附+動態(tài)擴散行為，系統(tǒng)研究了陰、陽離子吸附行為差異對自放電性能的影響。研究首次揭示了未充電狀態(tài)下BF4-陰離子在多孔炭負(fù)極表面發(fā)生特異性吸附是主導(dǎo)PC基超級電容器自放電現(xiàn)象的微觀原因。該過程破壞了充放電過程中由SBP+陽離子構(gòu)成的亥姆霍茲（Helmholze）層的穩(wěn)定性，促使陽離子加速擴散遠(yuǎn)離電極表面，從而導(dǎo)致負(fù)極主導(dǎo)的快速自放電。進一步地，研究團隊通過多孔炭表面氨基化策略，向負(fù)極表面定向引入負(fù)電中心以抑制陰離子特異性吸附，從而提高了充放電過程中負(fù)極表面Helmholze層的穩(wěn)定性，改善了負(fù)極的快速自放電問題。在靜置500小時后，負(fù)極材料表面氨基化改性的超級電容器電壓保持率從59.35%提升至71.57%。
本研究首次揭示了超級電容器負(fù)極自放電行為的微觀驅(qū)動力，并通過界面電荷調(diào)控實現(xiàn)了Helmholze層的長期穩(wěn)定，為超級電容器新型界面改性策略提供了新的理論依據(jù)。本工作提出的界面修飾策略兼具簡潔性、普適性與工程可行性，為構(gòu)建低自放電、高穩(wěn)定性的下一代超級電容器材料指明了發(fā)展方向。
（709課題組）
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