電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的加速轉(zhuǎn)型，高效、安全的儲能技術成為推動可再生能源普及的關鍵。在眾多儲能器件中，水系超級電容器憑借其高安全性、長循環(huán)壽命和環(huán)境友好性，被視為下一代儲能設備的理想選擇。

然而，傳統(tǒng)水系電解液受限于狹窄的電化學穩(wěn)定性窗口（僅1.23V），導致器件能量密度難以突破，極大限制了其在電動汽車、智能電網(wǎng)等高需求場景中的應用潛力。

近日，西安交通大學李磊教授團隊通過創(chuàng)新性地引入兩性離子功能材料甜菜堿，成功破解了這一技術瓶頸，為水系超級電容器的高性能化開辟了全新路徑。

這一研究成果以《通過甜菜堿調(diào)節(jié)電極/電解質(zhì)的界面特性增強超級電容器的能量存儲》為題，發(fā)表在知名期刊《儲能材料》上，為水系儲能技術的發(fā)展注入了新的活力。

甜菜堿均勻的包覆在活性炭表面，避免水系電解液和活性炭的直接接觸。一方面，甜菜堿吸附電解液中的水，形成新的氫鍵，破壞水的原始氫鍵，從而降低活性炭附近電解液中水的活性，導致器件的工作電壓從1.0V大幅增加到1.4V。

另一方面，甜菜堿對電解液離子的吸附能力比活性炭強，導致器件電容在1Ag-1時由21.35Fg-1大幅增加到27.73Fg-1。

它們的協(xié)同作用使超級電容器的能量密度從2.97Whkg-1提高到7.55Whkg-1，增加了接近2.5倍；功率密度從4.54kWkg-1提高到6.82kWkg，增加了1.5倍。

同時，器件還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在1.4V和4Ag-1下循環(huán)10000次后，電容保持率接近100%。除此之外，這種策略還極大地降低了器件的漏電流以及電壓降。

這項研究的創(chuàng)新之處在于其對固-液界面特性的精準調(diào)控。傳統(tǒng)研究往往聚焦于電極材料本身的改性或電解液成分的優(yōu)化，而李磊團隊則將目光投向了兩者之間的界面區(qū)域，通過引入甜菜堿這一簡單高效的媒介，實現(xiàn)了對界面微環(huán)境的有效調(diào)控，從而突破了水系電解液穩(wěn)定性窗口的固有限制。這種從界面入手的解決思路，為其他儲能器件的性能優(yōu)化提供了重要的借鑒意義。

該研究由西安交通大學材料學院碩士生周笑宇作為第一作者完成，青年教師史曉薇和李磊教授擔任共同通訊作者，金屬材料強度全國重點實驗室為唯一通訊單位，并得到了國家自然科學基金的資助，充分體現(xiàn)了我國在儲能材料基礎研究領域的深厚積累和產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新的強大實力。

隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)、便攜式電子設備等領域的快速發(fā)展，對高能量密度、高安全性、長壽命的儲能器件需求日益迫切。西安交大團隊的這項研究成果，不僅顯著提升了水系超級電容器的性能指標，更打破了人們對水系儲能技術的固有認知，為其在更多領域的應用鋪平了道路。

同時，這項成果的發(fā)表標志著我國在水系儲能領域的研究躋身國際前沿。相較于歐美國家側(cè)重于有機電解液體系的研究，我國科學家另辟蹊徑，通過界面工程開辟了水系儲能的新賽道。隨著全球?qū)Ω甙踩珒δ芗夹g的迫切需求，這種基于綠色化學理念的創(chuàng)新策略，或?qū)⒁I新一輪儲能技術革命。