西南交大杨维清J. Mater. Chem. A：一种通过离子限域效应实现极低自放电率的固态超级电容器

【引言】

超级电容器作为电池与传统电容器之间的一种新型储能装置，具有循环寿命长、充放电速率快、环保、功率密度高、安全性高等优点。然而，超级电容器能量密度低、自放电率高等缺点限制了其广泛的商业应用。目前，研究者们对如何提高超级电容器的电容、能量密度和功率密度进行了大量的研究，但对自放电现象的研究却很少，而自放电现象将严重限制超级电容器的容量、能量密度等其他性能。因此，必须更好地了解超级电容器的自放电机理，有效地抑制自放电现象，才能使超级电容器更有效地储存能量。

【成果简介】

近日，西南交通大学的杨维清教授团队提出一种新型的“玩泥饼”策略，制备了一种高性能的黏土@离子液体基固态电解质（BISE），其有效地解决了超级电容器的自放电问题。利用黏土中硅-氧键的限域效应，抑制Fe离子的穿梭效应并促进电解质阴离子的选择性渗透，从而导致由欧姆泄漏和扩散控制的法拉第过程引起的自放电急剧下降。因此，基于BISE的超级电容器的自放电率在60小时内仅为28.9％。此外，基于BISE的超级电容器在75 ºC的高温下也表现出较低的自放电率，BISE还可以应用于软包超级电容器。因此，这项工作开辟了一条在宽温度范围内开发极低自放电超级电容器的途径，深入了解其自放电机理，进一步实现超级电容器的高效储能。相关成果以“Extremely low self-discharge solid-state supercapacitors via the confinement effect of ion transfer” 发表于《Journal of Materials Chemistry A》上，硕士研究生王子兴为第一作者，张海涛副教授和杨维清教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅国际合作项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。

【图文导读】

图1. 利用BISE固态电解质设计低自放电超级电容器的策略。

（a）液态电解质和BISE固态电解质的示意图。（b）EMIM⁺离子与黏土表面电荷相互作用的示意图，顶部为电解质的数码照片。（c）EMIMBF₄，黏土和BISE的TG曲线。（d）100℃下的交流阻抗谱及其等效电路。（e）传统超级电容器和BISE固态超级电容器的开路电位衰减。

图2. 自放电率的比较。

(AC：活性炭，SWNT：单壁碳纳米管，NDC：氮掺杂碳纳米片，GHG：石墨烯水凝胶，ACF：活性炭纤维)。 

图3. 传统超级电容器和BISE超级电容器的自放电机理。

（a）以0.5至2 mA g^-1的电流密度充电后，基于BISE的超级电容器的开路电位衰减。（b）电势驱动模型的拟合曲线。（c）扩散控制模型的拟合曲线。（d）扩散控制模型的模拟结果。（e）BISE通过Si-O键的限域效应抑制自放电现象的示意图。

图4. BISE超级电容器在不同温度下的自放电。

（a）基于BISE的超级电容器在25-75 ºC的开路电位衰减。（b）扩散控制模型拟合的结果。（c）不同温度下扩散过程的示意图。

图5. 软包超级电容器的自放电。

（a）软包超级电容器的示意图。（b）软包超级电容器的数码照片。（c）开路电位衰减。（d）在0.5至5 mA cm^-2电流密度下的恒流充放电曲线。（e）5到20 mV s^-1扫描速率下的循环伏安曲线。（f）奈奎斯特图，等效电路和拟合结果。

【小结】

研究者通过一种“玩泥饼”的策略设计了一种高性能的黏土@离子液体基固态电解质，其能有效的解决超级电容器的自放电问题。黏土分子中硅-氧键的限域效应会抑制欧姆泄漏和扩散控制的法拉第过程，从而降低超级电容器的自放电率。这项工作将为探索自放电机理开辟一条道路，并为开发具有高储能能力的低自放电超级电容器提供一个新的思路。

论文链接:

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

本文由西南交通大学的杨维清教授团队供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.