刘健教授、陆学君博士，AFM观点：适用于锌离子软包电容器的 “双保险”共熔电解液
【文章信息】
用于锌离子软包电容器的 “双保险”共熔电解液
第一作者：陆学君
通讯作者：陆学君*，刘健*
单位：加拿大英属哥伦比亚略大学
【研究背景】
共熔电解液由于其高电化学稳定和环境友好特性得以广泛关注和探索以满足对水性锌离子电容器的需求。值得注意的是，偏实用型水性锌离子电容器需要满足大规模生产需要，即平衡包装尺寸和性能表现。 因此，“双保险”共熔电解液是通过在锌盐水溶液中先后引入重水和二甲基*砜亚**，起到了双溶剂保护作用，减缓了锌阳极严重的不可逆性。
例如，最佳 DIEE 样品在0.5 A g−1 电流密度下表现出 352.9 F g−1 的电容和2 A g−1 电流密度下以及30,000 次循环后接近100% 的电容保持率，同时在软包电容器中展现了低温运行的能力。此外，实验（核磁共振光谱、拉曼光谱、双电层电容等）和理论技术（分子动力学模拟和密度泛函理论）证明了接触离子对和聚离子种溶剂化结构存在的重要性。 最后，这种 “双保险”共熔电解液的设计作为 “双溶剂”保护策略为新型共熔电解液和水性锌离子电容器化学提供了新的研究方向。
【文章简介】
近日，来自 加拿大英属哥伦比亚大学的刘健教授与陆学君博士 ，在国际知名期刊 advanced Functional Materials 上发表题为 “"Duet-Insurance” Eutectic Electrolytes for Zinc-Ion Capacitor Pouch Cells” 的观点文章。该观点文章分析了在共熔电解液中引入双溶剂保护机制对水系锌离子软包电容器的潜在影响，同时对其他金属能源储存器件的适用电解液设计提供了理论分析和指导。
图1. “双保险”共熔电解液的作用机理以及在锌离子软包电容器中的应用。
【本文要点】
要点一：“双保险”共熔电解液的理论基础
最近，水调节策略已被广泛用于调节自由水的电化学活*行为性**，例如高浓度电解（即“盐包水”电解液）和局部化高浓度电解液等。有趣的是，这些策略都专注于通过离子对修饰调节水分子和金属阳极之间的相互作用，如溶剂分离离子对，主要发生在相对稀释的环境中溶液，然后是接触离子对和聚集体随着盐浓度的增加而出现。后一种离子对的形成会减少“游离”水分子的分解，并有助于负离子还原产生的高质量电解液/电极界面。
最近，二甲基*砜亚**作一种有效的添加剂，具有较高的供体数 (29.8)和介电常数 (47.2)，以及与水的强相互作用（即氢键）。虽然，二甲基*砜亚**在低共熔电解液中作为一种氢键捕获溶剂降低了水的活度和抑制析氢反应，水仍然倾向形成四面体构型的氢键网络并对锌阳极进行渗透，导致其表面具有高电化学反应活性。重水中氘同位素表现出物理化学和电化学的同位素放大效应，由于氘核中的中子数量增加有利于与重水中的氧形成更强的氢键键合促成更稳定的热电化学稳定性。因此，在本研究中结合能的同位素差异是由原始氢键引起的水和重水聚集体之间的破坏与重建，使氘取代氢在混合水中贡献有助于更长和更弱氢键。
此外，二甲基*砜亚**添加剂能够同时调节共熔组分的形成和减少锌离子和溶剂水之间的氢键，促进在锌沉积过程中二甲基*砜亚**的还原以抑制溶剂水-重水的分解。
要点二：“双保险”共熔电解液在软包中的应用
“双保险”共熔电解液在单层软包电容器中展现优异的电化学性能，例如在 2 A g-1 的电流密度下进行 30,000 次循环后依旧具有接近100%电容保持率。并且在双层软包电池组件的设计中，为了充分利用锌金属资源而进一步垂直放大阴极的尺寸和厚度。电化学测试证明“双保险”共熔电解液作用下的双层软包仍然保留可匹配的电化学属性，其可能潜在通过增加电容器的尺寸和重量以提高储能器件的能量密度。
与此同时，“双保险”共熔电解液还拓展了其在软包中的低温实用性，例如-20°C。最后，软包电容器在−20 °C和 0.5 A g-1 电流密度下拥有~100%电容保持率在1600圈后。通过将软包电容器放置在冰浴中并可持续为风扇提供旋转动力，得以验证“双保险”共熔电解液在不同温度下与软包电容器的良好兼容性。
要点三：前瞻
“双保险”共熔电解液的提出对于提升实际生产中水系锌离子软包电容器的整体性能起到关键作用，其中利用重水的同位素效应和二甲基*砜亚**与水的氢键效应很好地协调共熔电解液的结构和性能。对于上述设计所得到的软包电容器表现出较高的长循环电化学稳定性，显著的锌阳极适配稳定性和低温储存运行能力等。考虑到水系金属离子（Li+，Na+，Mg2+等）大型能源储存器件对新型电解液设计的急切需求，“双保险”或者“双溶剂”共熔电解液将提出低廉，可行，适用范围广特性得口号满足市场对于高安全和高能量/功率密度能源器件的投入和生产。
【文章链接】
“Duet-insurance” Eutectic Electrolytes for Zinc-Ion Capacitor Pouch Cells
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211736
【通讯作者简介】
陆学君博士简介：
Dr. Xuejun Lu received his Ph.D. at Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM, Spain) under the supervision of Prof. Francisco del Monte and Dr. María Concepción Gutiérrez in July 2021. He is currently a postdoc research fellow in Prof. Jian Liu's group at the University of British Columbia (UBC, Canada). His research now focuses on advanced aqueous electrolytes via designing eutectic liquid mixtures for the implementation of electrochemical energy storage devices.
刘健教授简介：
Dr. Jian Liu is an Associate Professor and Principal’s Research Chair in Energy Storage Technologies at the University of British Columbia (UBC) Okanagan campus, Canada. Dr. Liu received his Ph.D. in materials science (2013) from the University of Western Ontario (Canada) and worked as an NSERC Postdoctoral Fellow at Lawrence Berkeley National Laboratory and Pacific Northwest National Laboratory before joining UBC in January 2017. His current research interests focus on advanced nanofabrication techniques, materials design for Li-ion batteries and beyond, and interfacial control and understanding in energy storage systems.
【课题组介绍】
刘健教授课题组详情请参照：Advanced Materials for Energy Storage Lab http://nesc.ok.ubc.ca/