超级电容器电解质用离子液体研究进展

文摘 2024-10-11 23:20 江苏

超级电容器是一种由电极材料、电解质、集流体和隔膜组成的新型储能器件，在储存间歇性能源方面具有巨大优势，被广泛用于电动汽车、智能电网和便携式/可穿戴电子产品等。但是与电池相比，超级电容器能量密度较低，因此开发可提高能量密度的高电容电极材料或宽电化学稳定窗口的电解质十分重要。由于超级电容器的能量密度与工作电压（≤电化学窗口）的平方和电容成正比，故与电极相比，电解质对能量密度的影响更为显著。此外，电解质作为超级电容器的核心组分还会影响超级电容器的物理化学特性（如工作温度范围、化学稳定性、毒性、挥发性和可燃性）、电化学性能（如工作电压、电导率、等效串联电阻、比电容、能量密度、功率密度和循环稳定性）和机械性能（如拉伸强度、断裂伸长率）。

超级电容器的电解质主要包括水系、有机体系、离子液体、（准）固态以及氧化还原电解质。与水系电解质（电导率高、等效串联电阻小、工作电压低）和有机体系电解质（通常具有毒性和可燃性）相比，离子液体电解质更接近高性能超级电容器对于理想电解质的要求。离子液体具有宽电化学窗口这一突出优势和低蒸汽压、宽液态温度范围、高热稳定性以及不燃性等潜在优势。更重要的是，离子液体具有“可设计性”，可根据超级电容器的工作条件改变离子液体的组成或结构。凭借上述优良特性，离子液体在超级电容器电解质开发中得到广泛应用。笔者综述了近年来离子液体作为液态、（准）固态和氧化还原电解质组分在超级电容器电解质开发中的研究进展。

1 液态电解质的研发及应用

离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的盐。调整构成离子液体的阳、阴离子或者改变离子液体的分子结构可以开发具有不同性能的离子液体电解质。此外，电解质的离子尺寸与电极材料孔径的匹配程度对超级电容器的电化学性能至关重要。当离子尺寸大于电极孔径时，离子无法进入电极的孔隙，用于电荷存储的有效孔的数量减少，这自然会导致电容降低。当离子尺寸小于电极孔径时，电极孔和离子之间的距离增加，也会导致电容降低。

纯离子液体电解质熔点较低（通常高于0℃），在熔点温度下离子流动性会变差，进而影响超级电容器的性能。因此，可将操作温度范围扩展到更低温度的低共熔离子液体混合物受到广泛关注。

大多数离子液体具有高黏度和低电导率的缺点，导致组成的超级电容器内阻较高。如果由于内阻增加而导致的功率密度损失不能通过工作电压的增加来缓冲，则会限制超级电容器的速率和功率性能。在实际应用过程中，通常将离子液体与有机溶剂【如碳酸丙烯酯（PC）、乙腈和N，N-二甲基甲酰胺】混合。

此外，液态电解质中离子液体与有机溶剂所占的比例对电解质的电化学性能至关重要。

2 （准）固态电解质的类型及开发应用

（准）固态电解质分为聚合物电解质和无机固态电解质两类。用于超级电容器的（准）固态聚合物电解质可进一步分为3种类型：固体聚合物电解质（也称为干聚合物电解质），凝胶聚合物电解质和聚电解质。其中，凝胶聚合物电解质是一种较为理想的聚合物电解质。根据增塑剂的种类将凝胶聚合物电解质划分为水凝胶、有机凝胶和离子凝胶电解质。离子凝胶电解质是指嵌入离子液体的聚合物电解质，其性能取决于离子液体和主体聚合物的特性及二者间的相互作用。常用的主体聚合物包括聚（偏二氟乙烯-co-六氟丙烯）（PVdF-HFP）、聚乙烯醇（PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和纤维素。

对于水凝胶和有机凝胶电解质，离子液体可分别作为添加剂（防止水分蒸发、增加温度范围或提供导电性）和导电盐添加到电解质中优化其性能。此外，研究表明在凝胶聚合物电解质中添加填料（如陶瓷、二氧化硅和纤维素）或金属盐（如锂盐和铝盐）也可以调节电解质的电化学性能或机械性能。

在（准）固态电解质中，离子液体可以掺入聚合物构成凝胶聚合物电解质，也可以通过聚合反应生成聚离子液体。聚离子液体是在单体重复单元中包含聚合物骨架和离子液体的聚电解质，因此离子液体的某些特殊性能会转移到聚合物链上。聚离子液体通常由有机阳离子和疏水阴离子构成，其中一个离子被束缚在聚合物骨架上，而另一个离子是可移动的。

3 氧化还原电解质的开发及应用

与赝电容电极材料在牺牲功率密度和循环寿命的前提下提高超级电容器的能量密度不同，氧化还原电解质可通过氧化还原活性物质在电解质/电极界面上的氧化还原反应提供额外的赝电容，在有效提高能量密度的同时保持高功率密度和其他电化学性能。将氧化还原添加剂溶解在纯离子液体或含有离子液体的凝胶聚合物电解质中即可制备氧化还原电解质。常用的氧化还原添加剂有金属碘化物（如NaI、金属溴化物和有机氧化还原介质）。

在氧化还原电解质中，离子液体除了充当溶剂溶解氧化还原活性物质，也可以直接作为氧化还原电解质。目前，利用离子液体的“可设计性”使其成为氧化还原活性组分的常用方法有：将有机阳离子与具有氧化还原活性的阴离子（如Br-、硒氰酸阴离子）组成离子液体；用氧化还原基团（如二茂铁）修饰离子液体的阳/阴离子。

4 结语与展望

超级电容器应用范围的扩展对于电解质的各项性能提出了更高的要求，未来超级电容器电解质的研究方向呈现以下趋势：（1）设计新型离子液体、探索低共熔离子液体混合物和添加有机溶剂改性是开发超级电容器电解质的有效策略；（2）离子液体改性后的凝胶聚合物电解质和聚离子液体电解质可提供良好的电化学性能和机械性能，在便携式消费电子产品中具有广阔的应用前景；（3）氧化还原电解质有望克服超级电容器能量密度低的缺点，开发具有氧化还原特性的新型离子液体是该领域未来研究方向之一。

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