基于多孔活性炭材料和離子液體電解質(zhì)的雙電層電容器（EDLC）具有快速充放電、良好循環(huán)穩(wěn)定性和寬工作電壓窗口等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具前景的電化學(xué)儲(chǔ)能器件。研究EDLC在離子液體中的儲(chǔ)能機(jī)理，尤其是表征離子液體陰陽離子各自本征結(jié)構(gòu)對多孔活性炭電容特性的影響作用機(jī)制、從微觀層面揭示儲(chǔ)能機(jī)理，對恰當(dāng)選擇離子液體，進(jìn)而合理構(gòu)筑高性能EDLC具有重要指導(dǎo)意義。
圖1.策略示意圖。a：二氧化硅接枝離子以及自由離子結(jié)構(gòu)示意圖；b：二氧化硅透射電鏡圖；c：活性炭孔徑分布圖；d：活性炭在三種不同電解液中的儲(chǔ)能示意圖，從上到下依次為陰離子自由、陽離子固定，陽離子自由、陰離子固定，陰陽離子均自由
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室閻興斌團(tuán)隊(duì)在對EDLC在離子液體儲(chǔ)能機(jī)理的研究中取得重要進(jìn)展。研究人員制備出4種納米二氧化硅接枝的離子液體，利用充放電過程中只允許離子液體的一種離子自由進(jìn)出活性炭孔道的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對陰陽離子分別進(jìn)行分析的目的。其成果可為研究EDLC中離子液體陰陽離子各自的儲(chǔ)能行為提供新策略。
圖2.活性炭YP-50F電極在四種不同電解液中的循環(huán)伏安曲線.a-d依次為SiO2-IL-BMIM、SiO2-IL-NTf2、SiO2-IL-NBu4、SiO2-IL-PF6
二氧化硅接枝離子液體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，一種離子（陽離子BMIM+、NBu4+或陰離子NTf2–、PF6–）是自由的；而起平衡電荷作用的帶反電荷離子：三氟甲磺酰亞胺陰離子（NTf–）和甲基咪唑陽離子（MIM+），以共價(jià)鍵的方式連接到尺寸在7nm的二氧化硅納米顆粒上。該研究所選活性炭材料絕大部分孔的孔徑小于4nm，使得連接到二氧化硅的離子被擋在活性炭孔道外面，而待測自由離子（陽離子BMIM+、NBu4+或陰離子NTf2–、PF6–）可通過孔道。在此基礎(chǔ)上，簡單的電化學(xué)測試即可實(shí)現(xiàn)對自由進(jìn)入孔道離子的定量分析，即利用循環(huán)伏安曲線電流的大小直接反應(yīng)離子貢獻(xiàn)的容量。
圖3.結(jié)合表征出的陰陽離子各自性質(zhì)以及石英晶體微天平實(shí)驗(yàn)對儲(chǔ)能機(jī)理的詳細(xì)研究
基于以上方法，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，以商用活性炭YP-50F為電極，可以表征陽離子BMIM+、NBu4+和陰離子NTf2–、PF6–各自貢獻(xiàn)的容量以及每種離子貢獻(xiàn)容量的特定電壓窗口。使用石英晶體微天平（EQCM），研究人員進(jìn)一步表征了活性炭YP-50F在離子液體（BMIM-NTf2）的儲(chǔ)能機(jī)理，并結(jié)合BMIM+和NTf2–各自的電化學(xué)性質(zhì)，對儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行了更深層次的解釋。
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