超級電容器儲能機制研究獲重大進展

    基于多孔活性炭材料和離子液體電解質的雙電層電容器(EDLC)具有快速充放電、良好循環(huán)穩(wěn)定性和寬工作電壓窗口等優(yōu)點，是一種極具前景的電化學儲能器件。研究EDLC在離子液體中的儲能機理，尤其是表征離子液體陰陽離子各自本征結構對多孔活性炭電容特性的影響作用機制、從微觀層面揭示儲能機理，對恰當選擇離子液體，、進而合理構筑高性能EDLC具有重要指導意義。

    近日，中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室閻興斌團隊在對EDLC在離子液體儲能機理的研究中取得重要進展。研究人員制備出4種納米二氧化硅接枝的離子液體，利用充放電過程中只允許離子液體的一種離子自由進出活性炭孔道的特點，實現(xiàn)了對陰陽離子分別進行分析的目的。其成果可為研究EDLC中離子液體陰陽離子各自的儲能行為提供新策略。

    二氧化硅接枝離子液體的結構特點是，一種離子(陽離子BMIMM++、NBu4+或陰離子NTf2-、PF6-)是自由的;而起平衡電荷作用的帶反電荷離子：三氟甲磺酰亞胺陰離子(NTf-)和甲基咪唑陽離子(MIM+)，以共價鍵的方式連接到尺寸在7nm的二氧化硅納米顆粒上。該研究所選活性炭材料絕大部分孔的孔徑小于4nm，使得連接到二氧化硅的離子被擋在活性炭孔道外面，而待測自由離子(陽離子BMIM+、NBu4+或陰離子NTf2-、PF6-)可通過孔道。在此基礎上，簡單的電化學測試即可實現(xiàn)對自由進入孔道離子的定量分析，即利用循環(huán)伏安曲線電流的大小直接反應離子貢獻的容量。

    基于以上方法，研究團隊發(fā)現(xiàn)，以商用活性炭YP-50F為電極，可以表征陽離子BMIM+、NBu4+和陰離子NTf2–、PF6–各自貢獻的容量以及每種離子貢獻容量的特定電壓窗口。使用石英晶體微天平(EQCM)，研究人員進一步表征了活性炭YP-50F在離子液體(BMIM-NTf2)的儲能機理，并結合BMIM+和NTf2-各自的電化學性質，對儲能機理進行了更深層次的解釋。

    相關研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。該研究得到了國家自然科學基金、蘭州化物所“一三五”重點培育項目的資助。