山东大学研发超级电容器 1万次充放电循环后仍保留81%容量

盖世汽车讯 超级电容器是电气系统的核心组件，可应用于车辆再生制动系统、电源系统以及电子设备。此类装置亦被称作超电容器或双电层电容器，用作储能设备。电池通过电化学反应存储电能，而电容器利用离子（带电粒子）分离来存储能量。超级电容器本质上是先进的电容器，使用含离子的液体电解质和高表面积电极，实现比传统电容器更高的储能容量。不过，采用水基电解质制成的超级电容器虽然更加安全、更加环保，但仍面临着诸多实际挑战。

电动汽车电池（图片来源：interestingengineering.com）

据外媒报道，中国山东大学（Shandong University）研究团队研发了混合电解质设计，解决了传统水性超级电容器所面临的局限性问题。

关于挑战

超级电容器的功能与快速充电的电池一样，能够在数秒内、而非数小时内完成充电。与标准电池相比，超级电容器的设计旨在瞬间释放能量，而不是长时间地存储能量。

超级电容器由两个电极、一个电解质（通常为离子化的水）以及一个隔膜构成。在外加电压的作用下，电解质中的离子向带有相反电荷的电极移动，最终形成双电荷层。随着施加在电路上的电压增加，电容器中存储的电荷和能量也随之增加。

不过，由于在极低电压条件下，水会分解成离子，从而会限制超级电容器的能量存储容量。此外，在极端温度下，水要么会结冰要么会蒸发，对该设备的性能造成阻碍。此类挑战都阻碍了超级电容器的实际应用，促使研究人员寻找解决方案。

混合电解质

研究人员进行了大量的测试，以创造出一种由三种成分构成的电解质，也称作三元（三组分）电解质。该电解质由水、名为EMIMNTf₂的离子液体（在室温下保持液态）以及名为三氟甲烷磺酸钾（KOTf）的钾盐构成。在正常条件下，该离子液体不能很好地与水混合，但是加入钾盐，可以改善混合过程。

通过溶解度测试，研究人员发现，电解质成分能够重新调整水分子在钾离子周围的排列方式。此种新型排列方式可防止水分子参与到高压条件下经常发生的非必要分解反应。由于自由水分子数量减少、有害反应受到限制，该超级电容器能够承受更高的电压。此外，此种成分让该电解质在极端温度下能够保持稳定，避免像水一样失去功能。

优异的性能

研究人员发现，新型电解质能够在高达3.37伏特的电压下运行，几乎是水性超级电容器的三倍。此外，该设备在32°F至212°F（0℃至100℃）的温度范围内能够可靠运行。该超级电容器不仅具有可靠性，而且在高温下（约140°F/60°C），经过1万次充放电循环后仍能保留81.8%的容量，表明其在存储电能方面具有稳定性。此种混合电解质设计实现了热稳定性与高压运行，是业内首次实现此种技术。