中大新聞網(wǎng)訊（通訊員石鎧源）在眾多的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋅離子混合電容器具有廣闊的應(yīng)用前景，它將超級(jí)電容器的高功率密度與金屬離子電池的高能量密度的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。金屬鋅作為陽(yáng)極活性材料和集流體具有高容量、低氧化還原電位和低成本效益的優(yōu)勢(shì)。盡管活性炭作為陰極材料提供了良好的循環(huán)性能，但鋅陽(yáng)極會(huì)產(chǎn)生許多不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，包括析氫反應(yīng)、枝晶生長(zhǎng)和副產(chǎn)物的生成等。寄生反應(yīng)會(huì)引起庫(kù)侖效率的降低，從而導(dǎo)致儲(chǔ)能器件失效。此外，現(xiàn)有的混合電容器能量密度低，導(dǎo)致其無(wú)法商業(yè)性使用，需要進(jìn)一步提高混合電容器的電化學(xué)性能。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院石鎧源課題組研究了一系列的芳香族功能分子作為添加劑優(yōu)化設(shè)計(jì)電解液（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102769），在此基礎(chǔ)上提出將具有氧化還原活性蒽醌類(lèi)分子對(duì)水系電解液修飾改性。采用所制備的氧化還原增強(qiáng)型電解液提高了混合電容器的比容量，同時(shí)利用去溶劑化效應(yīng)提升了電極的界面穩(wěn)定性，進(jìn)而有效地延長(zhǎng)了混合電容器的使用壽命。

課題組發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)相似的氧化還原添加劑——蒽醌類(lèi)化合物具有提高電極界面穩(wěn)定性和比容量的普遍規(guī)律，通過(guò)理論計(jì)算和多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒽醌類(lèi)化合物中含有的-SO₃-、-COOH和-OH吸電子基團(tuán)與Zn²⁺之間有良好的相互作用，可以調(diào)控電解液溶劑化結(jié)構(gòu)，加入的有機(jī)分子降低了Zn²⁺-H₂O的相互作用，從而誘導(dǎo)水系電解液活性降低。研究表明，苯環(huán)骨架提高了電解液的穩(wěn)定性，拓寬了電化學(xué)窗口，延長(zhǎng)了電極循環(huán)壽命；-C=O通過(guò)與質(zhì)子的可逆氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)額外容量，進(jìn)而提高了混合電容器的比容量。循環(huán)伏安曲線(xiàn)中突出的氧化還原峰為AQ/AQH₂的可逆氧化還原反應(yīng)提供了證據(jù)。電解液的氧化還原行為源于ZnSO₄水解電離產(chǎn)生的H⁺，H⁺通過(guò)格羅特斯機(jī)制(Grotthuss mechanism)在電解液中可逆轉(zhuǎn)遞，并與電解液中的有機(jī)分子發(fā)生反應(yīng)。課題研究了一系列具有氧化還原特性的蒽醌分子，循環(huán)性能測(cè)試顯示氧化還原增強(qiáng)型電解液有效提升了電極比容量，獲得的混合電容器展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1蒽醌類(lèi)分子作為氧化還原增強(qiáng)型電解液的研究

圖2 不同AQ濃度電解液制備的混合電容器

相關(guān)研究成果以“Unveiling the potential of redox electrolyte additives in enhancing interfacial stability for Zn-ion hybrid capacitors”為題發(fā)表在Energy Storage Materials期刊上。材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)碩士研究生甘雄日為第一作者，2021級(jí)本科生章陳然為第二作者，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位，石鎧源副教授為論文末位通訊（唯一）作者。上述研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103175