石铠源副教授课题组在氧化还原增强型电解液取得最新进展

在众多的电化学储能技术中，锌离子混合电容器具有广阔的应用前景，它将超级电容器的高功率密度与金属离子电池的高能量密度的优点结合在一起。金属锌作为阳极活性材料和集流体具有高容量、低氧化还原电位和低成本效益的优势。尽管活性炭作为阴极材料提供了良好的循环性能，但锌阳极会产生许多不可逆的电化学反应，包括析氢反应、枝晶生长和副产物的生成等。寄生反应会引起库仑效率的降低，从而导致储能器件失效。此外，现有的混合电容器能量密度低，导致其无法商业性使用，需要进一步提高混合电容器的电化学性能。石铠源课题组研究了一系列的芳香族功能分子作为添加剂优化设计电解液（DOI:10.1016/j.ensm.2023.102769），在此基础上提出将具有氧化还原活性蒽醌类分子对水系电解液修饰改性。采用所制备的氧化还原增强型电解液提高了混合电容器的比容量，同时利用去溶剂化效应提升了电极的界面稳定性，进而有效地延长了混合电容器的使用寿命。

       课题组发现了结构相似的氧化还原添加剂——蒽醌类化合物具有提高电极界面稳定性和比容量的普遍规律，通过理论计算和多项实验发现蒽醌类化合物中含有的-SO₃^-、-COOH和-OH吸电子基团与Zn²⁺之间有良好的相互作用，可以调控电解液溶剂化结构，加入的有机分子降低了Zn²⁺-H₂O的相互作用，从而诱导水系电解液活性降低。研究表明，苯环骨架提高了电解液的稳定性，拓宽了电化学窗口，延长了电极循环寿命；-C=O通过与质子的可逆氧化还原反应实现贡献额外容量，进而提高了混合电容器的比容量。循环伏安曲线中突出的氧化还原峰为AQ/AQH₂的可逆氧化还原反应提供了证据。电解液的氧化还原行为源于ZnSO₄水解电离产生的H⁺，H⁺通过格罗特斯机制(Grotthuss mechanism)在电解液中可逆转递，并与电解液中的有机分子发生反应。课题研究了一系列具有氧化还原特性的蒽醌分子，循环性能测试显示氧化还原增强型电解液有效提升了电极比容量，获得的混合电容器展现了良好的循环稳定性。

图1蒽醌类分子作为氧化还原增强型电解液的研究。

图2 不同AQ浓度电解液制备的混合电容器。

相关研究成果以“Unveiling the potential of redox electrolyte additives in enhancing interfacial stability for Zn-ion hybrid capacitors”为题发表在《Energy Storage Materials》期刊上（DOI:10.1016/j.ensm.2024.103175），我院21级学硕甘雄日为第一作者，21级本科生章陈然为第二作者，中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位，石铠源副教授为论文末位通讯（唯一）作者。上述研究受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市科技计划项目的经费支持。

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军