山西煤化所提出抑制超級電容器自放電的電極-電解液界面電荷調控新策略
近日，中國科學院山西煤炭化學研究所蘇方遠研究員團隊在超級電容器自放電機制與界面調控方面取得重要進展。研究成果以“Stabilizing the Helmholtz Layer via Surface Amination to Realize Low Self‐Discharge Supercapacitors”為題發表于《Energy Storage Materials》期刊。
研究首次明確了雙電層超級電容器未充電狀態下PC基電解液中陰離子在負極表面的自發吸附是其快速自放電的微觀起源，并采用多孔炭表面氨基化策略抑制陰離子特異性吸附，實現了超級電容器靜置500小時電壓保留率大于71%的自放電性能，相較于行業內靜置72小時電壓保留率不低于80%的要求有了極大改善，為提升實際工況下超級電容器電化學性能提供了新見解。
超級電容器作為一種高功率密度、長循環壽命的儲能器件，在可再生能源的快速存儲與管理領域具有重要應用價值。然而其固有的自放電現象導致的電壓損失仍是制約實際應用的重要因素。現有研究表明，由擴散控制的非法拉第過程引發的自放電是超級電容器自放電的主導因素。但電極-電解液界面陰、陽離子吸附行為差異對自放電性能的影響仍缺乏深入研究，特別是陰離子在電極表面的自發吸附是否驅動負極快速自放電，長期以來缺乏直接證據。
針對這一科學問題，研究團隊建立了聯合多維電化學原位表征框架用于揭示電解質離子暫態吸附+動態擴散行為，系統研究了陰、陽離子吸附行為差異對自放電性能的影響。研究首次揭示了未充電狀態下BF4-陰離子在多孔炭負極表面發生特異性吸附是主導PC基超級電容器自放電現象的微觀原因。該過程破壞了充放電過程中由SBP+陽離子構成的亥姆霍茲（Helmholze）層的穩定性，促使陽離子加速擴散遠離電極表面，從而導致負極主導的快速自放電。進一步地，研究團隊通過多孔炭表面氨基化策略，向負極表面定向引入負電中心以抑制陰離子特異性吸附，從而提高了充放電過程中負極表面Helmholze層的穩定性，改善了負極的快速自放電問題。在靜置500小時后，負極材料表面氨基化改性的超級電容器電壓保持率從59.35%提升至71.57%。
本研究首次揭示了超級電容器負極自放電行為的微觀驅動力，并通過界面電荷調控實現了Helmholze層的長期穩定，為超級電容器新型界面改性策略提供了新的理論依據。本工作提出的界面修飾策略兼具簡潔性、普適性與工程可行性，為構建低自放電、高穩定性的下一代超級電容器材料指明了發展方向。
（709課題組）
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