高性能双电层电容器储能机理的实验与理论研究

双电层电容器具有功率密度高、循环稳定性强、绿色环保和超低温特性稳定等优点，是未来理想的储能设备。该类电容器的发展重点是能量密度提升，这主要取决于电极／电解质界面的双电层结构以及电解质的电化学稳定性。为此，本项目选取离子液体在内的高浓度电解质为研究对象，采用表面力仪测量技术为主、分子动力学模拟为辅的技术手段，研究了关键参数对电解质在固/液界面的双电层结构的影响机制和内在机理。主要研究内容包括离子特异性及温度对离子液体固液界面结构的影响机理、水分子对离子液体固液界面结构的影响机理、高浓度电解质水溶液中固液界面的离子结构。所取得的研究成果总结如下：（1）明确了离子尺寸效应、工作温度分别对离子液体双电层结构和特征尺寸的影响机制，并从电解质微观结构以及与固体表面之间相互作用的角度给出了内在机理。（2）展示了离子液体界面结构随含水量不同的变化关系，并通过分析不同阶段水分子对电解质中离子间相互作用以及固体表面电荷的作用机理并解释了其中的原因。（3）证明了电解质水溶液在高浓度条件下的界面结构特征同样受到离子溶剂化效应的影响，并解释了离子水合和离子特异性在其中的作用机理。（4）通过改进表面力仪系统，实现了更高精度和分辨率的力探测技术。在项目的资助下，项目组共发表论文共计4篇，其中SCI收录论文3篇，EI收录论文1篇；培养及协助培养博士研究生1名，硕士研究生4名。

现阶段双电层电容器的发展重点是提升能量密度，而能量密度主要取决于电极／电解质界面的双电层结构以及电解质的电化学稳定性。本项目选择具有宽电化学窗口的室温离子液体作为电解质，以其在石墨烯表面形成的双电层结构为研究对象，采用表面力仪测量为主、分子动力学模拟配合的手段，讨论关键因素对界面相互作用以及相应的离子分布结构的影响。实验方面，研究工作将以明确离子液体在石墨烯表面上的吸附机理为基础。通过探讨表面电势与离子特性、温度相互耦合对双电层结构的影响机制，总结电极电势调控界面电容的机理。本项目还将进一步研究当通道的空间尺寸减小到纳米量级时，受限离子液体在石墨烯表面的润湿行为，明确其迁移及吸附特性，借此阐释纳米多孔电极材料的储电机制。理论方面，依据实验建立并优化分子动力学模型，实现对真实工况中电极界面电容的准确预测。这些工作的开展将为设计和开发高性能双电层电容器提供基础理论方面的指导。

根据储能机理的不同可以分为以下两类 ：

电容储能双电层电容

是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理 。

电容储能法拉第准电容

其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H 、OH-、K 或Li )在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

新型高性能陶瓷储能材料及电容器，是化工、冶金与材料工程领域的前沿技术。