文 章 信 息

能量密度超過50Wh/kg的熔鹽電化學電容器

研 究 背 景

電化學電容器具有高功率密度、長循環(huán)壽命和低維護成本的特點，可以作為儲能設備提高電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，促進可再生能源的利用。此外，它們還被廣泛應用于石油和天然氣工業(yè)、混合動力汽車以及軍事和航天工業(yè)。電解質(zhì)材料是電化學電容器的重要組成部分，對器件性能有重要影響。常見的電解質(zhì)材料包括了水系、有機系和離子液體系。水系電解質(zhì)具有高離子電導、低成本、環(huán)境友好和安全性高的優(yōu)點。然而，由于其電化學窗口狹窄，相應的器件很難實現(xiàn)高能量密度。有機或離子液體電解質(zhì)具有更寬的電化學窗口，目前被廣泛應用在商用器件中。然而，這兩類電解質(zhì)較低的離子電導和較高的粘度會阻礙離子遷移和滲透，導致電極的比電容較低，且倍率性能較差。此外，有機電解質(zhì)具有易燃性、揮發(fā)性和毒性，而離子液體電解質(zhì)的價格高昂，這些因素都限制了電化學電容器的應用。因此，開發(fā)新的電解質(zhì)材料和體系非常必要。

文 章 簡 介

基于此，來自清華大學的伍暉教授與華北電力大學的劉凱教授合作，在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Molten salt electrolytes for electrochemical capacitors with energy densities exceeding 50 W h kg-1”的研究論文。該文章提出無機熔鹽可以作為一類新的電化學電容器的電解質(zhì)材料。在無機熔鹽中，活性炭電極遵循物理吸附-化學吸附復合的儲能機制，對應的器件在125°C下顯示出超過50 W h kg-1的能量密度，并且可以利用電解質(zhì)的相變特征實現(xiàn)長時間的能量存儲。這類基于無機熔鹽的電化學電容器有望運用在電網(wǎng)儲能設備，油氣開采裝置，混合動力汽車，以及處于特種工作條件的器件與設備中。

本 文 要 點

要點一：超高能量密度相較于其他電解質(zhì)，基于AlCl3–NaCl–LiCl無機熔鹽電解質(zhì)的電化學電容器表現(xiàn)出了更高的功率密度和能量密度。特別地，在125℃和175℃的工作溫度下，對應器件的能量密度分別為50.4 和60.0 W h kg-1。除此之外，無機熔鹽電解質(zhì)還具有價格低廉、不易燃和無毒性的優(yōu)勢，適合大規(guī)模應用與工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 基于無機熔鹽電解質(zhì)和其他電解質(zhì)的電化學電容器的對比要點二：物理吸附-化學吸附復合儲能機理在AlCl3–NaCl–LiCl無機熔鹽電解質(zhì)中，活性炭電極的儲能過程遵循物理吸附-化學吸附復合機制，這源于限域在電極的納米孔中的熔鹽電解質(zhì)的獨特結(jié)構(gòu)和特性。一方面，在特定的納米限域條件下，熔鹽電解質(zhì)中離子排布會發(fā)生改變，并有助于形成更致密的雙電層結(jié)構(gòu)，進而使電極比電容升高。另一方面，DFT模擬表明，無機熔鹽中存在的AlCl4-會與電極發(fā)生嵌入反應。因此，活性炭電極在熔鹽中表現(xiàn)出了相當大的擴散控制電容。

圖2 基于無機熔鹽電解質(zhì)的電化學電容器的儲能機理研究要點三：利用電解質(zhì)相變特征實現(xiàn)長時間儲能電化學電容器往往存在較為嚴重的自放電問題，使得儲能效率下降。因此，許多研究致力于通過電解液添加劑和隔膜材料的設計降低電化學電容器的自放電速率。然而，這些方法可能會導致材料成本的增加和電解質(zhì)離子電導的降低。該文章創(chuàng)新性地利用無機熔鹽電解質(zhì)的相變特征調(diào)控了器件的自放電速率，實現(xiàn)了近一個月的長時間儲能。基于無機熔鹽的電化學電容器的自放電速率與工作溫度具有很強的關(guān)聯(lián)性。特別地，在室溫下無機熔鹽的離子電導極低，自放電被顯著抑制，因此可以進行長時間的能量存儲。同時，將器件加熱至工作溫度后，能夠重新正常工作。基于上述結(jié)果，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，動態(tài)管理和調(diào)整該類電化學電容器的工作溫度和模式。

圖3 基于無機熔鹽電解質(zhì)的電化學電容器的自放電效應研究要點四：其他無機熔鹽體系的應用推廣該文章還證實了多種其他無機熔鹽體系在超級電容器器件中運用的可行性。這些無機熔鹽體系均表現(xiàn)出較高的離子電導率（0.19–1.23 S cm-1）和較寬的電化學窗口（2.0–2.6 V），可以面向不同的高溫應用環(huán)境。此外，考慮到某些特定的無機熔鹽與熔融堿金屬具有化學與電化學的穩(wěn)定性，這些材料有望應用于鋰離子和鈉離子混合電化學電容器，進一步推動器件能量密度的提升。

審核編輯 ：李倩