低溫王者——我國科學(xué)家破解超級電容器低溫性能之謎

作者段躍初

在寒冷的世界里，如何讓超級電容器依然保持出色的性能？這一難題在我國科學(xué)家的努力下，終于找到了答案。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊與大連交通大學(xué)教授王韶旭團隊合作，成功研發(fā)出一種能在低溫環(huán)境下堅守崗位的微型超級電容器。這一突破性成果，為寒冷地區(qū)的電子設(shè)備提供了強有力的能源保障。

水系電解質(zhì)，這個看似與寒冷絕緣的物質(zhì)，其實蘊含著巨大的能量。它因其本征安全特性，被廣泛應(yīng)用于便攜式微型電子設(shè)備和規(guī)?；瘍δ艿阮I(lǐng)域。然而，水系電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口過窄，容易結(jié)冰，導(dǎo)致儲能器件能量密度低，低溫性能嚴重下滑。高濃鹽電解液的應(yīng)用雖能拓寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口，抗凍性能優(yōu)異，但受限于鹽溶解度低和成本高的問題。此外，高濃鹽電解液還存在著黏度高、離子電導(dǎo)率低等缺點。

面對這一現(xiàn)狀，我國科學(xué)家另辟蹊徑，創(chuàng)新性地在水系電解液中引入CaCl2和乙二醇添加劑，成功研發(fā)出一種中等濃度的寬電位窗口、耐低溫電解液。實驗和理論分析表明，CaCl2的引入能有效減少具有強氫鍵的水分子數(shù)量，乙二醇的添加則能減少鈣離子第一溶劑化殼層中的水分子數(shù)量，并破壞水分子間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這一改變使得設(shè)計的混合電解液具有3.5V的寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口和低于-120℃的凝固點。

更為驚喜的是，基于這種新型電解液構(gòu)建的微型超級電容器，能在-40℃的低溫環(huán)境下提供1.6V的高電壓，容量保持率高達62%，且具有出色的循環(huán)性能。即使在-40℃的環(huán)境下運行2萬圈，容量保持率依然能保持在98.5%。

這個研究成果的問世，為我國在低溫環(huán)境下使用超級電容器提供了可能。在全球氣候變暖的大背景下，這一發(fā)現(xiàn)為寒冷地區(qū)的電子設(shè)備提供了強有力的能源保障，也為我國在低溫高壓水系/有機混合電解液領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。