Angewandte Chemie International Edition:具有超高能量密度和超长循环寿命的柔性锌离子混合电容器:ZnCl2电解质的关键作用


随着柔性便携电子设备的飞速发展,与之相匹配的低成本,高性能和安全的储能技术成为了研究的核心问题。金属离子混合电容器结合了电池电极和超级电容电极,旨在能够取二者之长实现互补优势,在提供高能量密度的同时,保持优异的功率密度和循环寿命。 在众多储能器件的候选者中,水系锌离子混合电容器因为其内在的低成本和优越的安全性脱颖而出。多孔碳材料是最为常用的超电容电极材料,因其极高的比表面积可以提供丰富的储锌位点,成为锌离子电容器中最常见的正极材料。然而对尺寸巨大的溶剂化锌离子(六水合锌)来说,直径高达8.60 Å,无法有效进入多孔材料中尺寸过小的微孔,使多孔碳材料能够取得的能量密度严重受限。

最近,澳大利亚悉尼大学陈元教授、裴增夏博士和合肥师范大学的孟强强博士合作,首次提出了一种通过阴离子调控水合锌离子基团去溶剂化能的策略,为解决上述问题提供了一种新的思路。作者发现相比于其他常见锌盐电解液,ZnCl2电解液中独特的含氯溶剂化结构可以显著改变电极的电化学性能,进而赋予多孔活性炭材料更高的能量密度。通过实验结合DFT理论计算,作者证实氯离子的引入可有效降低水合锌离子基团的去溶剂化能垒,因此增强了后者的去溶剂化程度并减小了其尺寸,最终使多孔碳材料中的微孔得以充分利用,从而可展现出高电化学储能容量。此外,作者进一步证实该策略对同为二价且水合结构相似的镁离子也同样适用。相关结果以“Toward flexible zinc-ion hybrid capacitors with superhigh energy density and ultralong cycling life: the pivotal role of ZnCl2 salt-based electrolytes”为题发表在在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition(DOI: 10.1002/anie.202012030)上。本文第一作者为悉尼大学的博士研究生王承。

随后,作者通过合成了氯化锌“盐包水”型凝胶电解质,使电极材料的循环稳定性得以显著提升,同时有效拓宽了电解液的电位窗口下,从而使整体混合电容器件实现了锌离子电池级别的能量密度(基于碳活性物质)与前所未有的循环寿命(十万次循环)。此外,该混合电容器具有出色的温度适应性,并在-20 oC环境下展现出了优异的电化学与机械性能。

该工作证明了ZnCl2水溶液中的氯离子在调节水合锌离子基团的去溶剂化过程中起决定性作用,其研究结论为制造具有高能量密度和长循环寿命的柔性锌离子混合电容器提供了可行的解决方案,同时也为其他类似储能设备的设计提供了有益的启发。