【引言】

隨著便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)迫切需要具有高安全性、超長(zhǎng)使用壽命以及可快速充放電等優(yōu)點(diǎn)的高性能儲(chǔ)能設(shè)備;然而，現(xiàn)有的儲(chǔ)能體系往往存在一些缺陷，如超級(jí)電容器低的能量密度、鋰離子電池的安全風(fēng)險(xiǎn)、堿性鋅錳電池差的循環(huán)穩(wěn)定性。

【成果簡(jiǎn)介】

近來，清華大學(xué)深圳研究生院的康飛宇教授和徐成俊副研究員課題組報(bào)道了一種新型的鋅離子混合超級(jí)電容器(ZHSs)，該論文以題：Extremely safe,  high-rate and ultralong-life zinc-ion hybrid supercapacitors發(fā)表在Energy Storage  Materials期刊上，其以高比表面積活性炭材料為正極、以金屬鋅為負(fù)極、以硫酸鋅中性水系溶液為電解液，借助于離子在活性炭表面的快速吸脫附和鋅離子在鋅電極表面的溶解/沉積實(shí)現(xiàn)了能量的可逆存儲(chǔ)/釋放(如圖1)。

具體來說，如圖2所示，在0.2~1.8 V的工作電壓范圍內(nèi)，該鋅離子混合超級(jí)電容器的比容量和能量密度分別可達(dá)121 mAh/g和84  Wh/kg(基于活性炭電極質(zhì)量計(jì)算)，且能夠在15 s內(nèi)進(jìn)行快速充放電，功率密度為14.9 kW/kg、能量密度保持在30  Wh/kg。相比之下，以活性炭為電極的對(duì)稱型超級(jí)電容器，在硫酸、硫酸鈉、硫酸鋅等不同的水系電解液中，只獲得了0.5~3.3  Wh/kg的能量密度。此外，該鋅離子混合超級(jí)電容器顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1  A/g電流密度下經(jīng)過10000次充放電循環(huán)，容量保持率高達(dá)91%。進(jìn)一步地，作者探討了不同碳材料正極與鋅離子混合超級(jí)電容器電化學(xué)性能間的關(guān)系、以及不同電解液(特別是堿性電解液和中性電解液)對(duì)鋅負(fù)極和整個(gè)器件循環(huán)穩(wěn)定性的影響。結(jié)合電極微觀形貌分析和組分表征等，作者對(duì)該鋅離子混合超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討，表明了離子在活性炭表面的物理吸脫附和鋅離子在鋅電極上的沉積/溶解是核心機(jī)制，但同時(shí)會(huì)伴隨堿式硫酸鋅的生成等。

【結(jié)論】

本論文的第一作者清華大學(xué)深圳研究生院的董留兵(已完成博士畢業(yè)答辯)認(rèn)為該鋅離子混合超級(jí)電容器構(gòu)筑的一個(gè)巧妙之處是借助于在硫酸鋅水系電解液體系下金屬鋅電極的反復(fù)溶解-沉積過程輸出高比容量的同時(shí)具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性;這種可快速充放電、具有超長(zhǎng)壽命的新型安全水系鋅離子混合超級(jí)電容器的研究為下一代儲(chǔ)能器件提供了新的選擇。本研究工作得到了國(guó)家973項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目和中美電動(dòng)汽車專項(xiàng)等提供的支持。

文獻(xiàn)鏈接：Extremely safe, high-rate and ultralong-life zinc-ion hybrid  supercapacitors(Energy Storage Materials, 2018, doi:  10.1016/j.ensm.2018.01.003).