傳統(tǒng)的鋰離子電池主要采用有機(jī)電解液，這主要是因為傳統(tǒng)lco/石墨體系鋰離子電池電壓較高，超過了水溶液電解質(zhì)的穩(wěn)定電壓窗口，因此只能采用有機(jī)溶液電解質(zhì)。近年來隨著人們對動力電池安全性、環(huán)保性要求的提高，水系電解液開始得到人們的重視。
mxene作為新型二維材料，具有高的電導(dǎo)率和超高的體積電容，是微型超級電容器的關(guān)鍵材料之一。然而，mxene在水系電解液中易在高陽極電位下氧化，且受到水的電化學(xué)穩(wěn)定窗口的限制，導(dǎo)致工作電壓通常小于0.6v，限制了mxene微型超級電容器的能量密度。此外，水系電解液在零度以下易結(jié)冰，導(dǎo)致離子導(dǎo)電性急劇下降。高溫下，電解液的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很難保留內(nèi)部的水分子。因此，研制耐高壓、寬溫區(qū)的水系電解液存在挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實驗室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊與中科院院士、金屬研究所研究員成會明合作，開發(fā)出一種安全、綠色、低成本的“氯化鋰包水”高濃水系電解液，并以此構(gòu)建出寬溫區(qū)1.6v高電壓水系mxene微型超級電容器。
研究團(tuán)隊通過調(diào)節(jié)mxene微電極與電解質(zhì)之間的反應(yīng)動力學(xué)，有效抑制了mxene在高電位下的氧化，從而拓寬mxene微型超級電容器的工作電壓，且能在較寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn)，基于高濃氯化鋰凝膠電解液的對稱平面mxene微型超級電容器的工作電壓高達(dá)1.6v，體積能量密度可達(dá)31.7 mwh/cm3。由于高濃氯化鋰凝膠電解液超高的離子電導(dǎo)率(69.5ms/cm)和超低的熔點(diǎn)(-57°c)，mxene微型超級電容器可在-40°c到60°c的寬溫度范圍內(nèi)正常工作，說明其在極端環(huán)境中的實用性。該工作為構(gòu)建水系高電壓寬溫區(qū)微型超級電容器提供了新的研究思路。
在構(gòu)建mxene基超級電容器和電池方面，吳忠?guī)泩F(tuán)隊前期開發(fā)出多功能水系mxene墨水用于高電容電極、電池和傳感材料(adv. mater.)及微型超級電容器(adv. energy mater.)；發(fā)展了離子液體預(yù)插層mxene微電極策略構(gòu)建出高比能微型超級電容器(j. mater. chem. a)；開發(fā)出三維mxene基無枝晶的鋰金屬負(fù)極(acs nano)；提出了一步堿化mxene策略制備出mxene納米帶(nano energy)，同時結(jié)合氧化處理獲得了mxene衍化超薄鈦酸鈉或鈦酸鉀納米帶，具有優(yōu)異儲鈉/鉀性能(acs nano)。
相關(guān)論文于2022年2月23日發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(national science review)上。
參考資料來源：大連物化所、中國科學(xué)院
原標(biāo)題：大連物化所開發(fā)出“氯化鋰包水”高濃水系電解液并構(gòu)建微型超級電容器