電極「牽手」電解液協同增強實現高性能超級電容器

全球範圍內電動汽車以及攜帶型電子產品的普及刺激了高效儲能器件的快速發展。鋰離子電池和超級電容器作為目前應用廣泛並且備受關注的兩種電化學儲能裝置，由於儲能機理的不同而各有所長。與鋰離子電池相比，超級電容器中儲能相關反應多發生在電極材料表面或近表面，受離子擴散影響較低，因而具有快速充放電能力。然而，由於電極體相中所擁有的大量儲能位點難以被有效利用，使得超級電容器的能量密度一直難以和鋰離子電池相比較。儘管目前通過納米結構化使得電極體相獲得了更高效的利用，超級電容器的大功率密度與高能量密度依然難以兼得。因此，如何在高倍率（快速充/放電）情況下獲得更高能量密度，依然是超級電容器的重大挑戰。

電解液作為超級電容器的重要組成部分，在超級電容器的充放電過程中扮演著重要的角色，是決定其電化學性能的關鍵之一。與非氧化還原活性的傳統電解液相比，氧化還原電解液包含有可進行可逆氧化還原反應的活性物質，保證正常離子傳輸的同時還能提供額外的容量。同時，由於溶液中離子傳輸比固體中離子傳輸快了多個數量級，氧化還原電解液所提供容量的動力學過程也更加高效，從而實現更加優異的快速充放能力。然而目前基於氧化還原電解液的超級電容器中，電極與氧化還原電解液「各自為戰」，只是簡單實現性能方面 「1+1>1」的提高效果。如何實現電極/氧化還原電解液體系的協同增強從而獲得「1+1>2」，目前仍然是一大挑戰。此外，儘管目前採用氧化還原電解液實現了超級電容器比容量的提升，受限於氧化還原電解液的工作電位窗口，目前報道的基於氧化還原電解液的超級電容器工作電壓難以超過1.4 V，嚴重限制了其能量密度的提升。

近期，南京理工大學納米能源材料（NEM）夏暉教授課題組報道了一種氧缺陷高效調控三氧化二鐵（Fe2O3）吸附氧化還原電解質（Na2SO3）的策略：通過可調控的氧缺陷構築電極與氧化還原電解液之間的橋樑，將可進行可逆氧化還原反應的亞硫酸根離子（SO32-）固定在電極表面，進而在大充放電倍率下實現更高的比容量。文章中系統分析了這一策略所實現的高效儲能機理，並深入研究了SO32-的調控吸附對電化學性能的影響。得益於對亞硫酸鈉的可調控吸附，所合成的缺陷型氧化鐵基電極材料在3.2 V s-1的高倍率下依然保持290 C g-1的容量。此外，通過第一性原理計算（DFT）驗證了Fe2O3表面氧缺陷對於SO32-吸附的重要作用。最終，基於缺陷型氧化鐵基電極/亞硫酸鈉體系，研究者構築了基於雙電解液體系的非對稱超級電容器，首次實現了基於水系氧化還原電解液的2.0 V超級電容器。這一工作的重要意義在於，通過提出構築電極與氧化還原電解液的緊密聯繫，為獲得兼具高能量密度和高功率密度的超級電容器提供了新的思路。

這一成果近期發表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201706640）上，文章的第一作者是南京理工大學翟騰博士，通訊作者是夏暉教授。

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