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《自然-通讯》刊发华中科技大学冯光团队离子液体超级电容器研究成果
2020-11-19 14:28:00
华中科技大学
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  11月16日,《自然?通讯》(Nature Communications)以研究长文形式刊发了华中科技大学能源学院冯光教授团队关于离子液体超级电容器的最新研究成果。论文题目为“加盐提高含水离子液体电化学窗口”(Adding salt to expand voltage window of humid ionic liquids)。华中科技大学为第一单位,该论文的共同第一作者分别为能源学院博士后陈明和厦门大学博士生吴杰督,通讯作者为冯光。

  离子液体仅由阴阳离子组成,在室温下呈液态。除了挥发性低,热稳定性好,不可燃等优点,相比常用的水或有机溶液电解质,离子液体具有更高的电化学窗口(4~6 V)。近些年来,用作储能装置(如超级电容器和电池),电润湿技术等所需的电解质,离子液体正受到越来越多研究者的关注和重视。因其固有的吸水性,离子液体中的水总是难以被彻底除去。针对离子液体含水的影响,冯光团队的前期工作(Nature Communications, 2018, 9, 5222)表明,在形成电极-离子液固液界面的过程中,离子液体的亲疏水性决定了水的吸附行为:亲水性离子液体可以有效避免离子液体中的水吸附在负电极表面上,从而避免工作电压的降低;而疏水离子液体中的水将会富集在电极表面上,而减小其工作电压与性能。因此,如何减小含水的疏水离子液体中水的负面影响,成为了离子液体电解质领域内亟需解决的关键问题之一。

  冯光团队利用分子动力学模拟和第一性原理计算为主要研究手段,发现向含水的疏水离子液体电解质中添加少量的锂盐,既可以有效避免含水离子液体中的水吸附在电极表面上,又可以降低电极吸附水的反应活性,从而增大了含水离子液体电解质的电压窗口。这一方案适用于不同种类的疏水离子液体。模拟预测结果得到了合作者厦门大学毛秉伟和颜佳伟教授团队的实验证实。团队进一步阐释了加盐的微观作用机制和实现原理:由于锂离子的强水化作用,水被拽离了电极壁面;锂离子与仍吸附在电极上的水相结合,降低了水的反应活性;锂离子改变了吸附水的方位分布,抑制了水的分解;与锂离子结合,降低了水的HOMO能级,从而提高了其氧化稳定性。

  该工作基于纳米尺度界面与能质传递的基础研究,以储能器件中的电极-电解质固液界面为研究对象,探究了添加锂盐对疏水离子液体在电极表面上吸附水的影响规律及其作用机理。这一研究结果,以及前期有关亲水离子液体的工作,解决了离子液体因吸水而降低电压的难题,不但给离子液体超级电容器储能技术的研究与开发提供了新思路,新方案,而且还有利于含水离子液体在其他领域内的应用(如具有高浓度盐溶液的电池)。同时,利用类似策略“开发恒电势分子模拟技术”研究纳米尺度界面与能质传递现象,通过跨尺度理论和方法并结合实验验证,冯光团队还开展了基于导电MOFs和离子液体的新型超级电容器的研究工作,成果已于数月前刊发在了《自然?材料》上,华中科技大学为第一单位。

  这些工作都得到了国家自然科学基金委的资助。

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