關于電池水系鋅離子的混合超級電容器

隨著便攜式電子產品和電動汽車的快速發(fā)展，現代社會迫切需要具有高安全性、超長使用壽命以及可快速充放電等優(yōu)點的高性能儲能設備;然而，現有的儲能體系往往存在一些缺陷，如超級電容器低的能量密度、鋰離子電池的安全風險、堿性鋅錳電池差的循環(huán)穩(wěn)定性。

清華大學深圳研究生院的康飛宇教授和徐成俊副研究員課題組報道了一種新型的鋅離子混合超級電容器(ZHSs)，其以高比表面積活性炭材料為正極、以金屬鋅為負極、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/沉積實現了能量的可逆存儲/釋放(如圖1)。

具體來說，如圖2所示，在0.2~1.8V的工作電壓范圍內，該鋅離子混合超級電容器的比容量和能量密度分別可達121mAh/g和84Wh/kg(基于活性炭電極質量計算)，且能夠在15s內進行快速充放電，功率密度為14.9kW/kg、能量密度保持在30Wh/kg。相比之下，以活性炭為電極的對稱型超級電容器，在硫酸、硫酸鈉、硫酸鋅等不同的水系電解液中，只獲得了0.5~3.3Wh/kg的能量密度。

此外，該鋅離子混合超級電容器顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1A/g電流密度下經過10000次充放電循環(huán)，容量保持率高達91%。進一步地，作者探討了不同碳材料正極與鋅離子混合超級電容器電化學性能間的關系、以及不同電解液(特別是堿性電解液和中性電解液)對鋅負極和整個器件循環(huán)穩(wěn)定性的影響。

結合電極微觀形貌分析和組分表征等，作者對該鋅離子混合超級電容器的儲能機理進行了詳細的探討，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/溶解是核心機制，但同時會伴隨堿式硫酸鋅的生成等。

作者認為該鋅離子混合超級電容器構筑的一個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溶解-沉積過程輸出高比容量的同時具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性;這種可快速充放電、具有超長壽命的新型安全水系鋅離子混合超級電容器的研究為下一代儲能器件提供了新的選擇。