低温王者——我国科学家破解超级电容器低温性能之谜

作者段跃初

在寒冷的世界里，如何让超级电容器依然保持出色的性能？这一难题在我国科学家的努力下，终于找到了答案。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员吴忠帅团队与大连交通大学教授王韶旭团队合作，成功研发出一种能在低温环境下坚守岗位的微型超级电容器。这一突破性成果，为寒冷地区的电子设备提供了强有力的能源保障。

水系电解质，这个看似与寒冷绝缘的物质，其实蕴含着巨大的能量。它因其本征安全特性，被广泛应用于便携式微型电子设备和规模化储能等领域。然而，水系电解液的电化学稳定窗口过窄，容易结冰，导致储能器件能量密度低，低温性能严重下滑。高浓盐电解液的应用虽能拓宽电化学稳定窗口，抗冻性能优异，但受限于盐溶解度低和成本高的问题。此外，高浓盐电解液还存在着黏度高、离子电导率低等缺点。

面对这一现状，我国科学家另辟蹊径，创新性地在水系电解液中引入CaCl2和乙二醇添加剂，成功研发出一种中等浓度的宽电位窗口、耐低温电解液。实验和理论分析表明，CaCl2的引入能有效减少具有强氢键的水分子数量，乙二醇的添加则能减少钙离子第一溶剂化壳层中的水分子数量，并破坏水分子间的氢键网络。这一改变使得设计的混合电解液具有3.5V的宽电化学稳定性窗口和低于-120℃的凝固点。

更为惊喜的是，基于这种新型电解液构建的微型超级电容器，能在-40℃的低温环境下提供1.6V的高电压，容量保持率高达62%，且具有出色的循环性能。即使在-40℃的环境下运行2万圈，容量保持率依然能保持在98.5%。

这个研究成果的问世，为我国在低温环境下使用超级电容器提供了可能。在全球气候变暖的大背景下，这一发现为寒冷地区的电子设备提供了强有力的能源保障，也为我国在低温高压水系/有机混合电解液领域的发展奠定了坚实基础。