电极“牵手”电解液协同增强实现高性能超级电容器

 全球范围内电动汽车以及便携式电子产品的普及刺激了高效储能器件的快速发展。锂离子电池和超级电容器作为目前应用广泛并且备受关注的两种电化学储能装置，由于储能机理的不同而各有所长。与锂离子电池相比，超级电容器中储能相关反应多发生在电极材料表面或近表面，受离子扩散影响较低，因而具有快速充放电能力。然而，由于电极体相中所拥有的大量储能位点难以被有效利用，使得超级电容器的能量密度一直难以和锂离子电池相比较。尽管目前通过纳米结构化使得电极体相获得了更高效的利用，超级电容器的大功率密度与高能量密度依然难以兼得。因此，如何在高倍率（快速充/放电）情况下获得更高能量密度，依然是超级电容器的重大挑战。

电解液作为超级电容器的重要组成部分，在超级电容器的充放电过程中扮演着重要的角色，是决定其电化学性能的关键之一。与非氧化还原活性的传统电解液相比，氧化还原电解液包含有可进行可逆氧化还原反应的活性物质，保证正常离子传输的同时还能提供额外的容量。同时，由于溶液中离子传输比固体中离子传输快了多个数量级，氧化还原电解液所提供容量的动力学过程也更加高效，从而实现更加优异的快速充放能力。然而目前基于氧化还原电解液的超级电容器中，电极与氧化还原电解液“各自为战”，只是简单实现性能方面 “1+1>1”的提高效果。如何实现电极/氧化还原电解液体系的协同增强从而获得“1+1>2”，目前仍然是一大挑战。此外，尽管目前采用氧化还原电解液实现了超级电容器比容量的提升，受限于氧化还原电解液的工作电位窗口，目前报道的基于氧化还原电解液的超级电容器工作电压难以超过1.4 V，严重限制了其能量密度的提升。

近期，南京理工大学纳米能源材料（NEM）夏晖教授课题组报道了一种氧缺陷高效调控三氧化二铁（Fe2O3）吸附氧化还原电解质（Na2SO3）的策略：通过可调控的氧缺陷构筑电极与氧化还原电解液之间的桥梁，将可进行可逆氧化还原反应的亚硫酸根离子（SO32-）固定在电极表面，进而在大充放电倍率下实现更高的比容量。文章中系统分析了这一策略所实现的高效储能机理，并深入研究了SO32-的调控吸附对电化学性能的影响。得益于对亚硫酸钠的可调控吸附，所合成的缺陷型氧化铁基电极材料在3.2 V s-1的高倍率下依然保持290 C g-1的容量。此外，通过第一性原理计算（DFT）验证了Fe2O3表面氧缺陷对于SO32-吸附的重要作用。最终，基于缺陷型氧化铁基电极/亚硫酸钠体系，研究者构筑了基于双电解液体系的非对称超级电容器，首次实现了基于水系氧化还原电解液的2.0 V超级电容器。这一工作的重要意义在于，通过提出构筑电极与氧化还原电解液的紧密联系，为获得兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器提供了新的思路。

这一成果近期发表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201706640）上，文章的第一作者是南京理工大学翟腾博士，通讯作者是夏晖教授。