西安交大科研团队在水系超级电容器电极和电解液固-液界面性质调控方面取得新进展

文章导读

西安交大材料学院李磊教授团队提出通过甜菜碱调控活性炭与水系电解液固-液界面性质的新策略。该方法在1.4V工作电压下使超级电容器能量密度从2.97Wh/kg提升至7.55Wh/kg（提高2.5倍），功率密度从4.54kW/kg增至6.82kW/kg（提高1.5倍），且循环1次后电容保持率近1%。甜菜碱通过形成氢键降低水分子活性，同时优先吸附电解液离子，协同提升储能性能。相关成果以《通过甜菜碱调节电极/电解质的界面特性增强超级电容器的能量存储》为题发表于《储能材料》，周笑宇为第一作者，史晓薇与李磊教授共同通讯。团队此前已通过电极结构设计和电解液调控（发表于Chem.Eng.J.等期刊）实现器件在-6℃至1℃温域的稳定运行，为宽温域超级电容器应用提供基础。

— 内容由好学术AI分析文章内容生成，仅供参考。

水系超级电容器由于其出色的电容特性、高安全性和环保性而受到广泛关注。然而，水窄的电化学稳定性窗口（1.23V）降低了器件的储能能量密度，限制它们的实际应用。

针对以上问题，西安交大材料学院李磊教授团队发展了一种新的策略，即通过两性离子功能的甜菜碱调控活性炭和水系电解液的固-液界面性质，以提高器件的工作电压和电极电荷存储能力，实现器件能量密度的巨大提升。甜菜碱均匀的包覆在活性炭表面，避免水系电解液和活性炭的直接接触。一方面，甜菜碱吸附电解液中的水，形成新的氢键，破坏水的原始氢键，从而降低活性炭附近电解液中水的活性，导致器件的工作电压从1.0V大幅增加到1.4V。另一方面，甜菜碱对电解液离子的吸附能力比活性炭强，导致器件电容在1Ag^-1时由21.35Fg^-1大幅增加到27.73Fg^-1。它们的协同作用使超级电容器的能量密度从2.97Whkg^-1提高到7.55Whkg^-1，增加了接近2.5倍；功率密度从4.54kW kg^-1提高到6.82kWkg^-1，增加了1.5倍。同时，器件还具有良好的循环稳定性，在1.4V和4Ag^-1下循环10，000次后，电容保持率接近100%。除此之外，这种策略还极大地降低了器件的漏电流以及电压降。

上述成果以《通过甜菜碱调节电极/电解质的界面特性增强超级电容器的能量存储》（“Regulating electrode/electrolyte interphase property via betaine to turbo supercapacitor energy storage”）为题，于近期发表在《储能材料》(Energy Storage Materials)上。西安交通大学材料学院硕士生周笑宇为论文的第一作者，青年教师史晓薇和李磊教授为论文的共同通讯作者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文的唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金的资助。

近年来，李磊教授团队在水系超级电容器电极结构设计及其对电子和电解液离子传输的作用（Chem.Eng.J.2024, 488,150843;Energy Environ.Mater.2024,7,e12681;Nano Res. 2024，17, 6203; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907284; Energy Storage Mater. 2020, 30, 412) 和电解液性质调控方面（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2417207；Energy Storage Mater. 2023,55,527；J. Energy Chem. 2023, 78, 283）取得了系列进展，实现器件储能性能的提升，同时保障其在极端温域内（-60℃至100℃）正常工作，为超级电容器的宽温域应用提供了可能性。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829725004246