西南交大楊維清J. Mater. Chem. A：一種通過離子限域效應實現極低自放電率的固態超級電容器

【引言】

超級電容器作為電池與傳統電容器之間的一種新型儲能裝置，具有循環壽命長、充放電速率快、環保、功率密度高、安全性高等優點。然而，超級電容器能量密度低、自放電率高等缺點限制了其廣泛的商業應用。目前，研究者們對如何提高超級電容器的電容、能量密度和功率密度進行了大量的研究，但對自放電現象的研究卻很少，而自放電現象將嚴重限制超級電容器的容量、能量密度等其他性能。因此，必須更好地了解超級電容器的自放電機理，有效地抑制自放電現象，才能使超級電容器更有效地儲存能量。

【成果簡介】

近日，西南交通大學的楊維清教授團隊提出一種新型的“玩泥餅”策略，制備了一種高性能的黏土@離子液體基固態電解質（BISE），其有效地解決了超級電容器的自放電問題。利用黏土中硅-氧鍵的限域效應，抑制Fe離子的穿梭效應并促進電解質陰離子的選擇性滲透，從而導致由歐姆泄漏和擴散控制的法拉第過程引起的自放電急劇下降。因此，基于BISE的超級電容器的自放電率在60小時內僅為28.9％。此外，基于BISE的超級電容器在75?oC的高溫下也表現出較低的自放電率，BISE還可以應用于軟包超級電容器。因此，這項工作開辟了一條在寬溫度范圍內開發極低自放電超級電容器的途徑，深入了解其自放電機理，進一步實現超級電容器的高效儲能。相關成果以“Extremely low self-discharge solid-state?supercapacitors via the confinement effect of ion transfer” 發表于《Journal of Materials Chemistry A》上，碩士研究生王子興為第一作者，張海濤副教授和楊維清教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、四川省科技廳國際合作項目以及中央高校基礎研究經費等項目的支持。

【圖文導讀】

圖1. 利用BISE固態電解質設計低自放電超級電容器的策略。

（a）液態電解質和BISE固態電解質的示意圖。（b）EMIM⁺離子與黏土表面電荷相互作用的示意圖，頂部為電解質的數碼照片。（c）EMIMBF₄，黏土和BISE的TG曲線。（d）100℃下的交流阻抗譜及其等效電路。（e）傳統超級電容器和BISE固態超級電容器的開路電位衰減。

圖2. 自放電率的比較。

(AC：活性炭，SWNT：單壁碳納米管，NDC：氮摻雜碳納米片，GHG：石墨烯水凝膠，ACF：活性炭纖維)。?

圖3. 傳統超級電容器和BISE超級電容器的自放電機理。

（a）以0.5至2 mA g^-1的電流密度充電后，基于BISE的超級電容器的開路電位衰減。（b）電勢驅動模型的擬合曲線。（c）擴散控制模型的擬合曲線。（d）擴散控制模型的模擬結果。（e）BISE通過Si-O鍵的限域效應抑制自放電現象的示意圖。

圖4. BISE超級電容器在不同溫度下的自放電。

（a）基于BISE的超級電容器在25-75?oC的開路電位衰減。（b）擴散控制模型擬合的結果。（c）不同溫度下擴散過程的示意圖。

圖5. 軟包超級電容器的自放電。

（a）軟包超級電容器的示意圖。（b）軟包超級電容器的數碼照片。（c）開路電位衰減。（d）在0.5至5?mA cm^-2電流密度下的恒流充放電曲線。（e）5到20 mV s^-1掃描速率下的循環伏安曲線。（f）奈奎斯特圖，等效電路和擬合結果。

【小結】

研究者通過一種“玩泥餅”的策略設計了一種高性能的黏土@離子液體基固態電解質，其能有效的解決超級電容器的自放電問題。黏土分子中硅-氧鍵的限域效應會抑制歐姆泄漏和擴散控制的法拉第過程，從而降低超級電容器的自放電率。這項工作將為探索自放電機理開辟一條道路，并為開發具有高儲能能力的低自放電超級電容器提供一個新的思路。

論文鏈接:

Extremely low self-discharge solid-state supercapacitors via the confinement effect of ion transfer (J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 8633-8640)

DOI:?10.1039/C9TA01028A

本文由西南交通大學的楊維清教授團隊供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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