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宽温度范围内通过水失活电解质实现高输出电压水系超级电容器

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-14 09:36

正文

【研究背景】

传统水凝胶电解质组装的柔性超级电容器受限于1.23 V低的理论分解电压，其实际工作电压往往低于2.0 V；水凝胶的低冰点影响电解质的耐低温性能，导致超级电容器工作温度范围较窄。受工作电压低、耐温性差和高电压下循环稳定性差等因素的限制，传统的对称水系超级电容器在宽温度范围内的能量密度并不理想。因此，改善水系凝胶电解质耐低温性能并扩宽电化学稳定窗口能够更好的改善器件的应用场景。

【工作简介】

近日，来自燕山大学的雷文伟副教授、高发明教授与北京航空航天大学的刘明杰教授合作，提出N-甲基吡咯烷酮（NMP）调节水失活耐低温凝胶电解质的制备策略。通过NMP对分子间相互作用和内亥姆霍兹平面（IHP）结构的协同调节，制备了水失活的有机水凝胶电解质（OHE），能够在抑制水分子活性的同时提高凝胶电解质的耐低温性能，从而构建具有≥ 2.5 V高电压、耐低温的AFSC。该文章于近期在国际知名期刊Advanced Science上发表。王宏基为本文第一作者。

图1. 宽输出电压和耐低温凝胶电解质的设计策略。

【图文导读】

作者通过将PVA有机凝胶在浸泡在含有NMP和水的电解液中得到了耐低温、水失活的水系凝胶电解质。NMP的加入会对电解质的电化学稳定窗口及耐低温性能产生影响，但是过多的NMP添加会损害电解质的耐低温性能。为了获得宽工作温度与高输出电压，保证宽温度范围内超级电容器良好的电化学性能，通过离子电导率确定了最佳的NMP与LiOTf比例。通过表征分析证明，NMP的加入能够与水分子之间形成氢键，改变凝胶电解质中的氢键作用。制备的OHE-4.5在−40–25 °C范围内具有更好的离子电导率，并在低温下依然保持良好的机械性能，保证水系柔性超级电容器能够在宽温度范围内正常工作。

图2. NMP参与的分子间相互作用对凝胶电解质耐低温性能的影响。

基于对称的碳纳米管纸电极组装的AFSC-4.5输出电压可以达到2.5 V。得益于水失活电解质对水分解反应的影响，AFSC-4.5具有超高的输出电压和显著提升的能量密度，相较于其他对称柔性超级电容器具有明显的优势。不同温度下的电化学性能测试证明，AFSC-4.5能够在宽温度范围内都能够保持2.5 V的输出电压和良好的循环稳定性。

图3. 水失活的OHE电化学性能测试。

NMP分子与Li ⁺ 间更强的结合能可以参与到Li ⁺ 的溶剂化结构，并将水分子从溶剂化结构中排除，能够降低第一溶剂化鞘中水分子的含量，抑制电解质中水分子的活性。实验测试与理论计算结果表明，NMP会影响电解质的去溶剂化过程，并在与电极界面产生特异性吸附，导致电极附近的IHP结构发生改变，阻碍水分子与电极表面的接触实现对水分解反应的抑制。在电解质中，NMP产生的两种作用（分子间相互作用及改变IHP结构）能够协同发挥效果构建水失活的OHE，对水分解反应进行充分抑制并拓宽AFSC-4.5的输出电压。

图4. NMP拓宽AFSC输出电压的机制。

结合不同温度下理论计算与测试结果，NMP的参与能够在低温环境下进一步拓宽AFSC的输出电压。低温环境虽然会导致超级电容器比容量衰减，但是进一步拓宽AFSC-4.5输出电压能够实现能量密度的突破。这不仅源于温度对水分解反应动力学的影响，还存在着低温下NMP分子进一步增强的协同效应。这一策略能够实现宽温度下可调节的输出电压，为超级电容器及其他储能器件应对变化、恶劣的环境提供了更多的研究思路。

图5. 低温对AFSC-4.5电化学性能的提升。

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