摘要
超级电容器具备高功率密度、快充电/放电速率、长循环寿命、高安全性以及环境友好等突出特点，被公认为是下一代储能系统的有力竞争者。作为超级电容器的关键成分之一，电解液的主要作用是提供带电离子参与电荷存储过程。水系电解液因其高安全性受到了广泛关注，但由于水的分解电压的影响，水系超级电容器的能量密度受到严重限制。盐包水电解液由于形成独特的离子溶剂化结构，并且减少了电解液中自由水的含量，这能够有效的抑制水分子的分解，极大地扩宽了水系电解液的电化学稳定窗口。但由于离子浓度过高导致强烈的静电阴阳离子吸引力，盐包水电解液固有的低离子电导率问题限制了其在高功率超级电容器中的应用。此外，盐包水电解液在低温下盐易析出的问题亟需解决，以满足诸如沙戈荒地区储能项目等实际应用场景对超级电容器所提出的宽工作温度范围的需求。 本论文针对超级电容器用盐包水电解液的低离子电导率的缺点，通过引入有机溶剂乙二醇来削弱电解液中阴阳离子的相互作用，制备了乙二醇基高浓度水系/有机混合电解液，离子电导率相对于原盐包水电解液提升到115%。由于乙二醇的闪点较高，使该电解液保持了水系电解液不可燃的特征。同时，其电化学稳定窗口几乎没有变化。采用活性物质负载量为 3 mg cm-2的活性炭电极作为正负极组装成对称式超级电容器，进行了电化学性能测试。结果表明，当功率密度为11.5 kW kg-1 时，混合电解液的能量密度较原盐包水电解液提高了 38.84%，为4.79 Wh kg-1。同时，在2 A g-1的电流密度下循环20000次，容量保持率为81.58%。此外，另采用活性物质负载量为2 mg cm-2和 6 mg cm-2的活性炭电极进行测试，研究了活性物质负载量对电化学性能的影响，结果表明负载量相对越低，电化学性能越优异，尤其是在高电流密度或扫描速率下。例如，在 8 A g-1的电流密度下，活性物质负载量为 2 mg cm-2的电极比电容为 6 mg cm-2的 5.15 倍。 针对储能场景需要宽工作温度的需求，研究了乙二醇基高浓度水系/有机混合电解液在宽温度范围内的物理化学性能。低温冷冻测试表明混合电解液在-60 ℃仍保持澄清而无析出，在-40 ℃时离子电导率仍有 1.02 mS cm-1，而原盐包水电解液在-20 ℃已经完全析出。同时，鉴于乙二醇本身的高沸点（197.3 ℃），甚至还可以拓展混合电解液在高温区的使用。循环伏安测试结果已经证实混合电解液能够在-40~70 ℃的温度范围内稳定运行。此外，以 0 ℃和 50 ℃为例，探讨了温度和活性物质负载量双重因素对电化学性能的影响。
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