电化学相变活化:有效提升水系超级电容器电压

由于有机电解液电化学能量存储器件如传统锂离子电池存在严重的安全隐患,近年来,水系电化学能量存储器件引起科研工作者浓厚的研究兴趣。在水系电化学能量存储体系中,水系超级电容器具备高功率密度、长循环寿命和良好的环境友好性等优势,受到极为广泛的关注。然而,目前水系超级电容器的工作电压局限于0.8-2.0 V,如此一来,不仅成为器件能量密度的主要限制因素,也妨碍了超级电容器在实际生活中的应用。先前报道实现高电压水系电池或电容器的可能策略是采用Water-in-Salt或hydrate-melt电解液,但这类电解液使用浓度极高,成本昂贵。迄今为止,高电压水系超级电容器非常少见。为了开发高电压水系超级电容器,发展具有高电位窗口、高析氧过电位的正极材料或高析氢过电位的负极显得尤为重要。

针对上述关键挑战,武汉理工大学的刘金平教授课题组报道了一种新型的高电位窗口氧化镍锰(Ni-Mn-O)水系超级电容器正极材料。经过简单而独特的相转变活化过程,这一正极材料可以优先参与氧化还原反应(优先失电子),从而显著抑制正极一端的析氧过程,使得电位区间达到0-1.4 V(vs. SCE),远远高于绝大部分水系超级电容器正极材料(通常1.0 V以下)。此外,研究人员通过对Ni-Mn-O正极材料进行阵列结构设计和原位碳包覆处理,使储能过程中传质/传荷动力学参数都得到了优化,实现了该电极材料优异的电化学性能。将该正极材料和商用活性炭负极搭配,在LiCl水溶液中,获得了单体电压高达2.4 V的水系超级电容器。随着便携式可穿戴智能电子的发展和应用,小型化和柔性化功能器件受到了广泛的关注,对薄膜型储能器件的能量密度需求越来越高。因此,研究人员进一步利用PVA-LiCl凝胶电解质研制出了2.4 V准固态超级电容器,具有>99.0 %的高库伦效率,优越的倍率性能和突出的循环寿命(5000次循环后仍有95.5 %的容量保持率)。器件的最大体积能量密度可达4.72 mWh cm-3,不仅优于先前氧化锰基薄膜型超级电容器,甚至可以与典型的“电池-超电容混合储能器件”相媲美。

该研究工作为高电位水系超级电容器正极材料的设计提出了行之有效的策略,同时为高电压水系电化学储能器件的发展提供了新的研究思路。相关文章在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703463)上。