中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅教授團(tuán)隊的吳長征教授課題組,將具有獨(dú)特離子通道的新型兩性凝膠電解質(zhì)用于全固態(tài)超級電容器,獲得了性能優(yōu)異的石墨烯基全固態(tài)超級電容器,研究了其具有最優(yōu)性能的微觀機(jī)理。該項成果于近期發(fā)表在《自然通訊》上(Nature Communications,7:11782,2016) 。
面對日益增長的能源需求,全固態(tài)超級電容器作為新型儲能設(shè)備得到了廣泛關(guān)注,而凝膠電解質(zhì)是其中的關(guān)鍵技術(shù)材料。為了實(shí)現(xiàn)全固態(tài)超級電容器快速充放電和高穩(wěn)定性的需求,發(fā)展兼具高離子電導(dǎo)率、優(yōu)良機(jī)械強(qiáng)度和保水性能等諸多優(yōu)勢的新型凝膠電解質(zhì),是當(dāng)前該領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。其核心和關(guān)鍵在于如何在凝膠電解質(zhì)中構(gòu)建有序離子通道以及理解其內(nèi)在電化學(xué)機(jī)制。面對這個挑戰(zhàn),中科大吳長征教授課題組基于兩性凝膠電解質(zhì)PPDP (聚([3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]二甲基(3-硫代丙基)氫氧化銨內(nèi)鹽)有序兩性基團(tuán)形成獨(dú)特的離子通道,應(yīng)用于高效全固態(tài)超級電容器。同時,每個兩性基團(tuán)可以與8個水分子結(jié)合形成水化層,使電解質(zhì)PPDP具有良好的保水特性。構(gòu)建的石墨烯基全固態(tài)超級電容器,在0.8 A cm-3的電流密度下,實(shí)現(xiàn)了300.8 F cm-3的比容量,并且電流密度增大25倍之后,僅有14.9%的比容量損失,達(dá)到了目前石墨烯基全固態(tài)超級電容器的最優(yōu)值。構(gòu)建有序離子通道為設(shè)計新型高效能源存儲器件提供了新思路。
圖(a)兩性凝膠電解質(zhì)在電場下形成離子通道; (b)角度依賴的C K 邊X射線吸收譜
該項研究成果利用合肥光源軟X射線磁圓二色(XMCD)實(shí)驗(yàn)站的軟X射線吸收譜學(xué)技術(shù),獲得了C K edge XANES的特征峰隨空間角度的變化關(guān)系(圖b),證實(shí)了兩性凝膠電解質(zhì)在外加電場的情況下, 形成了能夠提高凝膠電解質(zhì)中鹽離子傳輸?shù)碾x子通道,進(jìn)而明確了其是導(dǎo)致石墨烯基全固態(tài)超級電容器具有最優(yōu)性能的根本原因。
合肥光源軟X射線磁圓二色實(shí)驗(yàn)站是一個能夠研究復(fù)雜材料體系中特定原素的電子結(jié)構(gòu)和局域結(jié)構(gòu)的軟X射線吸收譜學(xué)實(shí)驗(yàn)站。其光子能量范圍在100-1000eV,能量分辨率可以達(dá)到2000,光通量>2×108,可測量碳、氮、氧輕元素的K邊吸收譜和部分3d過渡金屬的L2和L3邊吸收譜,配合外磁場可獲得鐵磁性材料中特定元素的軌道和自旋磁矩。
(合肥光源提供)