Advanced Energy Materials:一种水系抗冻且耐热的2.3 V高电压对称微型超级电容器

当前,水系微超级电容器的工作电压仅仅为1V左右,这严重限制了微器件的能量密度的进一步的提升。尽管离子液体和有机系电解液可以进一步扩大微器件的电压窗口,但是离子液体在低温下的显现出高粘度和较差的离子电导率,而有机电解质的易燃性、毒性以及其复杂的制备过程如纯化和超干燥等极其严格条件,这些缺点很大程度上阻碍了它们的大规模应用。为了开发环保的耐高压的水系电解质,美国马里兰大学Suo等人提出通过将双(三氟甲磺酰基)亚胺锂溶解在水中制备了“盐包水”水系电解质(>20 M),它表现出约 3.0 V 的高电压窗口。然而,与其他高浓度或饱和盐溶液类似,“盐包水”水系电解质没有自支撑能力,且在低温下不可避免地会发生盐析,从而导致离子电导率的急剧下降,因而,导致储能器件具有差的温度适应性。这极大地限制了储能器件在复杂多变的温度环境下的应用。因此,开发一种具有优异的耐温性且耐高压的凝胶电解质对于构筑宽温度适应性的高能量密度的对称性微器件来说是至关重要且具有挑战性的。

清华大学曲良体教授和北京理工大学张志攀教授课题组通过浸泡方式制备了具有耐温性和耐高电压能力的聚丙烯酰胺凝胶电解质。在这种凝胶电解质中,由于水分子大量的和阳离子进行配合作用,这使得几乎没有可以自由移动的水分子,从而极大地抑制了在高电压条件下水分子的电解。 另外,凝胶电解质中水、乙二醇和高分子链之间的强氢键相互作用也可以极大地拓宽了电解质的工作温度。因此,基于该电解质,该团队构筑了一种水系抗冻且耐热的2.3 V高电压的对称微型超级电容器。这项工作为简单、大规模构建具有高电压和宽温度适应性的高性能微型器件提供了更多的可能性。

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图1. 电解质的制备过程
图2. 微电极的制备过程
图3. 凝胶电解质的相关表征
图4. 微电容器的电化学性能

论文信息:

An Aqueous Anti-Freezing and Heat-Tolerant Symmetric Microsupercapacitor with 2.3 V Output Voltage

Xuting Jin, Li Song, Chunlong Dai, Yukun Xiao, Yuyang Han, Xinqun Zhang, Xiangyang Li,

Congcong Bai, Jiatao Zhang, Yang Zhao, Zhipan Zhang*, Lan Jiang, Liangti Qu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101523

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202101523