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我所利用雙極性氧化還原電對顯著提高石墨烯基微型超級電容器贗電容性能

  近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員團隊與納米與界面催化研究組(502組)傅強研究員團隊合作,在高濃度ZnCl2電解液中加入具有雙極性氧化還原電對的ZnI2電解質,實現在石墨烯正負極同時引入贗電容,構筑出高容量、長循環水系石墨烯基微型超級電容器。

  石墨烯基微型超級電容器結合了二維石墨烯超薄柔韌的特性與平面構型器件的優勢,可以最大化進行電荷存儲。但是,石墨烯有限的雙電層容量和水系電解液較窄的電壓窗口極大限制了其進一步應用。在電解液中加入氧化還原電對,是提高石墨烯基微型超級電容器性能的一種簡單高效方式。然而,已報道的氧化還原電對通常只在單電極(正或負極)發生反應,使得正負電極容量失配而導致容量提升有限。因此,如何合理設計電解液,在正負極同時引入法拉第反應并維持較高的功率密度和循環穩定性,是目前提高水系石墨烯基微型超級電容器應用研究的主要瓶頸之一。

  本工作中,合作團隊通過在15mol/Kg的ZnCl2水系電解液中加入1mol/Kg的ZnI2添加劑,開發出一種具有雙極性氧化還原電對(I-/I2和Zn/Zn2+)的高濃鹽水系電解液。研究發現,具有匹配電荷的I-和Zn2+可以分別在正負極發生氧化還原反應,引入贗電容從而提高電極容量;以電化學剝離的石墨烯為電極,構筑出石墨烯基微型超級電容器,體積比容量可達106mAh/cm3,能量密度可達111mWh/cm3,并在循環5300圈以后具有92%的容量保持率,性能優于已報道的石墨烯基微型超級電容器?;谠伙@微成像和在線電化學拉曼光譜表征,團隊發現高濃度電解液中Zn2+與水分子之間相互作用增強,抑制了析氫反應和副反應的發生,因此拓寬了水系電解液的電壓窗口、降低了電解液的冰點,使得器件在-20℃仍表現出優異的電化學性能;同時,電解液中的I-離子可與Zn2+配位形成[ZnIx(OH2)4-x]2-x,減少了充放電過程中多碘離子(I3-和I5-)的形成和擴散,有效抑制了自放電的發生,提高了庫倫效率和循環穩定性。該工作為新型水系電解液的設計,以及提高微型超級電容器性能的策略提供了研究思路。

  相關成果以“Water-in-Salt Ambipolar Redox Electrolyte Extraordinarily Boosting High Pseudocapacitive Performance of Micro-supercapacitors”為題,于近日發表在ACS Energy Letters上。該工作的共同第一作者是我所508組/502組博士后孟彩霞和508組周鋒副研究員。上述工作得到了國家自然科學基金、我所科研創新基金、中國科學院潔凈能源創新研究院—榆林學院聯合基金等項目的資助。(文/圖 孟彩霞、周鋒)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00329

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