大连化物所开发出适用于超低温的双电层电容器

　　近日，大连化物能源催化转化全国重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员、周锋副研究员团队与中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士团队合作，在低温电化学储能研究方面取得新进展。团队提出了一种温度不敏感的“强—弱配位溶剂化”电解液设计策略，并将其与富介孔碳电极材料设计策略相结合，开发出了适用于超低温(−80 °C)的双电层电容器。
 

　　随着电化学储能设备的广泛应用，极端条件(例如极低温度)下的电化学性能衰退乃至失效等问题亟待解决。相较于锂离子电池在低温下面临的缓慢离子传输动力学及枝晶生长导致的寿命衰减等问题，双电层电容器(EDLCs)基于离子物理吸附/脱附的储能机理，有望克服电化学储能器件的低温应用瓶颈。然而，其性能受限于电解液凝固点高、离子电导率低、电化学稳定性差，以及电极材料内离子传输受限等挑战。
 

　　在本工作中，团队选用乙腈作为强配位溶剂，以削弱离子液体中阴阳离子间的相互作用，提高体系的离子电导率；同时，选用具有超低凝固点与高电化学稳定性的弱配位稀释剂——1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚作为“外部屏蔽层”，以降低体系凝固点，从而实现了电解液在耐高压、高离子电导率与超低凝固点方面的兼容。在电极材料方面，团队设计了富含介孔的活性炭，以促进离子在低温下的快速传输，进而减轻因孔道传输受限所导致的电容损失。基于此，团队构建的双电层电容器在−80 °C与4.5 V电压下实现了104.5 Wh·kg-1的能量密度，10000次循环后容量保持率为89.5%；此外，300 F软包双电层电容器在25 °C至−80 °C范围内可稳定运行，进一步验证了其实际应用潜力。该工作不仅验证了一种可行的电解液—电极协同设计策略，也为极端低温下电化学储能器件的应用提供了参考。
 

　　上述研究成果以“An Electric Double-layer Capacitor with High Performance at -80 °C”为题，于近日发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)上。该成果的第一作者是508组博士研究生刘浩锋。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金区域创新发展联合基金等项目的资助。(文/图 刘浩锋、周锋)