双极性氧化还原电对提高石墨烯基微型超级电容器赝电容

　　近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与纳米与界面催化研究组（502组）傅强研究员团队合作，在高浓度ZnCl₂电解液中加入具有双极性氧化还原电对的ZnI₂电解质，实现在石墨烯正负极同时引入赝电容，构筑出高容量、长循环水系石墨烯基微型超级电容器。

　　石墨烯基微型超级电容器结合了二维石墨烯超薄柔韧的特性与平面构型器件的优势，可以最大化进行电荷存储。但是，石墨烯有限的双电层容量和水系电解液较窄的电压窗口极大限制了其进一步应用。在电解液中加入氧化还原电对，是提高石墨烯基微型超级电容器性能的一种简单高效方式。然而，已报道的氧化还原电对通常只在单电极（正或负极）发生反应，使得正负电极容量失配而导致容量提升有限。因此，如何合理设计电解液，在正负极同时引入法拉第反应并维持较高的功率密度和循环稳定性，是目前提高水系石墨烯基微型超级电容器应用研究的主要瓶颈之一。

　　本工作中，合作团队通过在15mol/Kg的ZnCl₂水系电解液中加入1mol/Kg的ZnI₂添加剂，开发出一种具有双极性氧化还原电对（I^-/I₂和Zn/Zn²⁺）的高浓盐水系电解液。研究发现，具有匹配电荷的I^-和Zn²⁺可以分别在正负极发生氧化还原反应，引入赝电容从而提高电极容量；以电化学剥离的石墨烯为电极，构筑出石墨烯基微型超级电容器，体积比容量可达106mAh/cm³，能量密度可达111mWh/cm³，并在循环5300圈以后具有92%的容量保持率，性能优于已报道的石墨烯基微型超级电容器。基于原位显微成像和在线电化学拉曼光谱表征，团队发现高浓度电解液中Zn²⁺与水分子之间相互作用增强，抑制了析氢反应和副反应的发生，因此拓宽了水系电解液的电压窗口、降低了电解液的冰点，使得器件在-20℃仍表现出优异的电化学性能；同时，电解液中的I^-离子可与Zn²⁺配位形成[ZnI_x(OH₂)_4-x]^2-x，减少了充放电过程中多碘离子（I₃^-和I₅^-）的形成和扩散，有效抑制了自放电的发生，提高了库伦效率和循环稳定性。该工作为新型水系电解液的设计，以及提高微型超级电容器性能的策略提供了研究思路。

　　相关成果以“Water-in-Salt Ambipolar Redox Electrolyte Extraordinarily Boosting High Pseudocapacitive Performance of Micro-supercapacitors”为题，于近日发表在ACS Energy Letters上。该工作的共同第一作者是我所508组/502组博士后孟彩霞和508组周锋副研究员。上述工作得到了国家自然科学基金、他所科研创新基金、中国科学院洁净能源创新研究院—榆林学院联合基金等项目的资助。（文/图 孟彩霞、周锋）

　　文章链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00329