中大新聞網訊（通訊員石鎧源）在眾多的電化學儲能技術中，鋅離子混合電容器具有廣闊的應用前景，它將超級電容器的高功率密度與金屬離子電池的高能量密度的優點結合在一起。金屬鋅作為陽極活性材料和集流體具有高容量、低氧化還原電位和低成本效益的優勢。盡管活性炭作為陰極材料提供了良好的循環性能，但鋅陽極會產生許多不可逆的電化學反應，包括析氫反應、枝晶生長和副產物的生成等。寄生反應會引起庫侖效率的降低，從而導致儲能器件失效。此外，現有的混合電容器能量密度低，導致其無法商業性使用，需要進一步提高混合電容器的電化學性能。中山大學材料科學與工程學院石鎧源課題組研究了一系列的芳香族功能分子作為添加劑優化設計電解液（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.102769），在此基礎上提出將具有氧化還原活性蒽醌類分子對水系電解液修飾改性。采用所制備的氧化還原增強型電解液提高了混合電容器的比容量，同時利用去溶劑化效應提升了電極的界面穩定性，進而有效地延長了混合電容器的使用壽命。
課題組發現了結構相似的氧化還原添加劑——蒽醌類化合物具有提高電極界面穩定性和比容量的普遍規律，通過理論計算和多項實驗發現蒽醌類化合物中含有的-SO3-、-COOH和-OH吸電子基團與Zn2+之間有良好的相互作用，可以調控電解液溶劑化結構，加入的有機分子降低了Zn2+-H2O的相互作用，從而誘導水系電解液活性降低。研究表明，苯環骨架提高了電解液的穩定性，拓寬了電化學窗口，延長了電極循環壽命；-C=O通過與質子的可逆氧化還原反應實現貢獻額外容量，進而提高了混合電容器的比容量。循環伏安曲線中突出的氧化還原峰為AQ/AQH2的可逆氧化還原反應提供了證據。電解液的氧化還原行為源于ZnSO4水解電離產生的H+，H+通過格羅特斯機制(Grotthuss mechanism)在電解液中可逆轉遞，并與電解液中的有機分子發生反應。課題研究了一系列具有氧化還原特性的蒽醌分子，循環性能測試顯示氧化還原增強型電解液有效提升了電極比容量，獲得的混合電容器展現了良好的循環穩定性。
圖1蒽醌類分子作為氧化還原增強型電解液的研究
圖2 不同AQ濃度電解液制備的混合電容器
相關研究成果以“Unveiling the potential of redox electrolyte additives in enhancing interfacial stability for Zn-ion hybrid capacitors”為題發表在Energy Storage Materials期刊上。材料科學與工程學院2021級碩士研究生甘雄日為第一作者，2021級本科生章陳然為第二作者，中山大學材料科學與工程學院為論文第一完成單位，石鎧源副教授為論文末位通訊（唯一）作者。上述研究受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃項目的經費支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103175
