中國儲能網(wǎng)訊：超級電容器是一種由電極材料、電解質(zhì)、集流體和隔膜組成的新型儲能器件，在儲存間歇性能源方面具有巨大優(yōu)勢，被廣泛用于電動汽車、智能電網(wǎng)和便攜式/可穿戴電子產(chǎn)品等。但是與電池相比，超級電容器能量密度較低，因此開發(fā)可提高能量密度的高電容電極材料或?qū)掚娀瘜W穩(wěn)定窗口的電解質(zhì)十分重要。由于超級電容器的能量密度與工作電壓（≤電化學窗口）的平方和電容成正比，故與電極相比，電解質(zhì)對能量密度的影響更為顯著。此外，電解質(zhì)作為超級電容器的核心組分還會影響超級電容器的物理化學特性（如工作溫度范圍、化學穩(wěn)定性、毒性、揮發(fā)性和可燃性）、電化學性能（如工作電壓、電導(dǎo)率、等效串聯(lián)電阻、比電容、能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性）和機械性能（如拉伸強度、斷裂伸長率）。
超級電容器的電解質(zhì)主要包括水系、有機體系、離子液體、（準）固態(tài)以及氧化還原電解質(zhì)。與水系電解質(zhì)（電導(dǎo)率高、等效串聯(lián)電阻小、工作電壓低）和有機體系電解質(zhì)（通常具有毒性和可燃性）相比，離子液體電解質(zhì)更接近高性能超級電容器對于理想電解質(zhì)的要求。離子液體具有寬電化學窗口這一突出優(yōu)勢和低蒸汽壓、寬液態(tài)溫度范圍、高熱穩(wěn)定性以及不燃性等潛在優(yōu)勢。更重要的是，離子液體具有“可設(shè)計性”，可根據(jù)超級電容器的工作條件改變離子液體的組成或結(jié)構(gòu)。憑借上述優(yōu)良特性，離子液體在超級電容器電解質(zhì)開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。筆者綜述了近年來離子液體作為液態(tài)、（準）固態(tài)和氧化還原電解質(zhì)組分在超級電容器電解質(zhì)開發(fā)中的研究進展。
1 液態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)及應(yīng)用
離子液體是由有機陽離子和無機或有機陰離子構(gòu)成的鹽。調(diào)整構(gòu)成離子液體的陽、陰離子或者改變離子液體的分子結(jié)構(gòu)可以開發(fā)具有不同性能的離子液體電解質(zhì)。此外，電解質(zhì)的離子尺寸與電極材料孔徑的匹配程度對超級電容器的電化學性能至關(guān)重要。當離子尺寸大于電極孔徑時，離子無法進入電極的孔隙，用于電荷存儲的有效孔的數(shù)量減少，這自然會導(dǎo)致電容降低。當離子尺寸小于電極孔徑時，電極孔和離子之間的距離增加，也會導(dǎo)致電容降低。
純離子液體電解質(zhì)熔點較低（通常高于0℃），在熔點溫度下離子流動性會變差，進而影響超級電容器的性能。因此，可將操作溫度范圍擴展到更低溫度的低共熔離子液體混合物受到廣泛關(guān)注。
大多數(shù)離子液體具有高黏度和低電導(dǎo)率的缺點，導(dǎo)致組成的超級電容器內(nèi)阻較高。如果由于內(nèi)阻增加而導(dǎo)致的功率密度損失不能通過工作電壓的增加來緩沖，則會限制超級電容器的速率和功率性能。在實際應(yīng)用過程中，通常將離子液體與有機溶劑【如碳酸丙烯酯（PC）、乙腈和N，N-二甲基甲酰胺】混合。
此外，液態(tài)電解質(zhì)中離子液體與有機溶劑所占的比例對電解質(zhì)的電化學性能至關(guān)重要。
2 （準）固態(tài)電解質(zhì)的類型及開發(fā)應(yīng)用
（準）固態(tài)電解質(zhì)分為聚合物電解質(zhì)和無機固態(tài)電解質(zhì)兩類。用于超級電容器的（準）固態(tài)聚合物電解質(zhì)可進一步分為3種類型：固體聚合物電解質(zhì)（也稱為干聚合物電解質(zhì)），凝膠聚合物電解質(zhì)和聚電解質(zhì)。其中，凝膠聚合物電解質(zhì)是一種較為理想的聚合物電解質(zhì)。根據(jù)增塑劑的種類將凝膠聚合物電解質(zhì)劃分為水凝膠、有機凝膠和離子凝膠電解質(zhì)。離子凝膠電解質(zhì)是指嵌入離子液體的聚合物電解質(zhì)，其性能取決于離子液體和主體聚合物的特性及二者間的相互作用。常用的主體聚合物包括聚（偏二氟乙烯-co-六氟丙烯）（PVdF-HFP）、聚乙烯醇（PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和纖維素。
對于水凝膠和有機凝膠電解質(zhì)，離子液體可分別作為添加劑（防止水分蒸發(fā)、增加溫度范圍或提供導(dǎo)電性）和導(dǎo)電鹽添加到電解質(zhì)中優(yōu)化其性能。此外，研究表明在凝膠聚合物電解質(zhì)中添加填料（如陶瓷、二氧化硅和纖維素）或金屬鹽（如鋰鹽和鋁鹽）也可以調(diào)節(jié)電解質(zhì)的電化學性能或機械性能。
在（準）固態(tài)電解質(zhì)中，離子液體可以摻入聚合物構(gòu)成凝膠聚合物電解質(zhì)，也可以通過聚合反應(yīng)生成聚離子液體。聚離子液體是在單體重復(fù)單元中包含聚合物骨架和離子液體的聚電解質(zhì)，因此離子液體的某些特殊性能會轉(zhuǎn)移到聚合物鏈上。聚離子液體通常由有機陽離子和疏水陰離子構(gòu)成，其中一個離子被束縛在聚合物骨架上，而另一個離子是可移動的。
3 氧化還原電解質(zhì)的開發(fā)及應(yīng)用
與贗電容電極材料在犧牲功率密度和循環(huán)壽命的前提下提高超級電容器的能量密度不同，氧化還原電解質(zhì)可通過氧化還原活性物質(zhì)在電解質(zhì)/電極界面上的氧化還原反應(yīng)提供額外的贗電容，在有效提高能量密度的同時保持高功率密度和其他電化學性能。將氧化還原添加劑溶解在純離子液體或含有離子液體的凝膠聚合物電解質(zhì)中即可制備氧化還原電解質(zhì)。常用的氧化還原添加劑有金屬碘化物（如NaI、金屬溴化物和有機氧化還原介質(zhì)）。
在氧化還原電解質(zhì)中，離子液體除了充當溶劑溶解氧化還原活性物質(zhì)，也可以直接作為氧化還原電解質(zhì)。目前，利用離子液體的“可設(shè)計性”使其成為氧化還原活性組分的常用方法有：將有機陽離子與具有氧化還原活性的陰離子（如Br-、硒氰酸陰離子）組成離子液體；用氧化還原基團（如二茂鐵）修飾離子液體的陽/陰離子。
4 結(jié)語與展望
超級電容器應(yīng)用范圍的擴展對于電解質(zhì)的各項性能提出了更高的要求，未來超級電容器電解質(zhì)的研究方向呈現(xiàn)以下趨勢：（1）設(shè)計新型離子液體、探索低共熔離子液體混合物和添加有機溶劑改性是開發(fā)超級電容器電解質(zhì)的有效策略；（2）離子液體改性后的凝膠聚合物電解質(zhì)和聚離子液體電解質(zhì)可提供良好的電化學性能和機械性能，在便攜式消費電子產(chǎn)品中具有廣闊的應(yīng)用前景；（3）氧化還原電解質(zhì)有望克服超級電容器能量密度低的缺點，開發(fā)具有氧化還原特性的新型離子液體是該領(lǐng)域未來研究方向之一。
