卓克垒教授、张锁江教授、王键吉教授，AFM观点：用于超级电容器的离子液体基氧化还原活性电解质

用于超级电容器的离子液体基氧化还原活性电解质

第一作者：孙莉

通讯作者：卓克垒*，张锁江*，王键吉*

单位：河南师范大学，中国科学院过程工程研究所

超级电容器（SCs）由于其超高的功率密度和长期的循环稳定性而成为非常有潜力的能源存储设备。但不幸的是，它在实际应用中仍然受到相对较低的能量密度的阻碍。根据能量密度计算公式，能量密度与电容器的工作电压的平方成正比。离子液体（IL）电解质具有较宽的电化学稳定窗口，可显著提高SCs的能量密度。

在离子液体基电解质中引入氧化还原活性物质可以有效地贡献赝电容，从而从比电容和工作电压窗口两个方面提高超级电容器的能量密度。因此，近年来以离子液体为基础的用于SCs的离子液体基氧化还原活性电解质（IL-REs）的研究工作逐步开展。本篇对各种IL-REs进行了全面的介绍，其中包括与不同氧化还原活性物种混合、本身具有氧化还原活性基团的离子液体以及基于离子液体的氧化还原凝胶聚合物电解质。

介绍并讨论了对离子液体电解质和离子液体基氧化还原活性电解质的基本认识，同时回顾总结了离子液体基氧化还原活性电解质在SCs中的应用的研究进展。在此基础上，对IL-REs在充放电过程中的能量储存机制进行了讨论，并对该领域的研究现状和未来发展进行了总结和展望。

本文中，来自河南师范大学的卓克垒教授、王键吉教授与中国科学院过程工程所的张锁江教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ionic Liquid-Based Redox Active Electrolytes for Supercapacitors”的综述文章。

该综述文章提出了基于IL的氧化还原活性电解质体系（其中IL作为导电组分和贡献赝电容的氧化还原活性物质）。分析了现在常用的离子液体电解质和离子液体基氧化还原活性电解质的优缺点，同时综述了离子液体基氧化还原活性电解质自发展以来在超级电容器应用领域的研究进展。本文将为IL-REs的进一步发展提供有价值的指导和启示。本文的第一作者是河南师范大学在读博士研究生孙莉。

要点一：离子液体与氧化还原活性组分混合

IL-REs是结合IL和氧化还原活性组分的优势而开发的。特别是与水和有机溶剂相比，IL-REs具有独特的结构和性能，因此IL-REs具有许多吸引人的特点。将一些氧化还原活性组分分散到液相电解液中是获得氧化还原活性电解质的一种可行的途径。

为了获得电化学稳定窗口更宽、赝电容贡献更多的高效电解质，一种简单而有效的方法是直接在ILs中加入一些氧化还原活性成分(如金属离子、卤化物阴离子和氧化还原活性分子)。相比于基于纯离子液体电解质而言，离子液体基氧化还原活性电解质与活性电极构筑的超级电容器具有更高的能量密度。

为了提高能量密度，在IL电解质中引入氧化还原活性成分是最简单的获得IL-REs以提高SCs性能的策略。然而，由于混合后的IL-REs的高粘度和添加的氧化还原活性组分导致的溶剂化效应以及氧化还原活性组分的设计和使用可能面临溶解度差和离子扩散受阻等问题。

为了解决上述问题，基于IL-REs独特的可定制性的特点，我们可以通过接枝氧化还原活性物种修饰离子液体的阴离子或阳离子，从而获得新的IL-REs。根据结构与性质的关系原理，通过在阳离子或阴离子上修饰特定官能团设计可定制的IL-REs。这种方法也可以扩展IL-REs的物化性质和功能性，开发更广泛的应用。可定制的IL-REs的开发已成为学术界和工业界最活跃的课题之一。

要点三：离子液体基氧化还原活性凝胶聚合物电解质

为满足目前柔性储能器件的发展需求，研究者们逐步开发优质的凝胶聚合物电解质以获得高性能的柔性储能装置。人们致力于制备聚合物与酸、碱或含盐氧化还原活性物质的混合电解质，以提高凝胶聚合物电解质的导电性，同时通过快速氧化还原反应提供赝电容。

离子液体具有固有的高粘度，有利于通过与凝胶聚合物交联形成凝胶聚合物网络，并具有良好的机械稳定性；其次，离子液体可同时作为导电盐而存在；同时具有氧化还原活性的离子液体也可以贡献赝电容。因此，在凝胶聚合物电解质中引入离子液体对于提高柔性/固体超级电容器的电化学性能具有重要意义。然而，由于柔性/固态sc仍处于早期发展阶段，需要进一步提高其电容性能，特别是提高其能量密度，以便更快地推向市场。

众所周知，超级电容器同时达到高能量密度和功率密度是一个重大的科学技术挑战。近年来，人们致力于在保持超级电容器高功率密度的同时提高其能量密度，在此研究中，IL-REs发挥了重要作用。

一方面，电解质离子可以静电吸附在电极与电解质的界面上，贡献电化学双层电容；另一方面，IL-RE体系中的氧化还原活性组分可以进行法拉第氧化还原反应，贡献赝电容。另一方面，IL-RE体系可以提供比水电解质和有机电解质更宽的电化学稳定窗口。随着理论和实践的发展，基于IL-REs的SCs取得了显著的进展，其应用范围显著拓宽。

到目前为止，许多研究结果表明，使用IL-REs作为SCs的电解质，可以实现电化学双层电容和赝电容的共存，这是走向“双高”目标的关键一步。因此，IL-RE电解质用于SCs的前景是光明的。当然，对任何事来说，机遇和挑战是并存，在实现这一目标的道路上还有许多问题需要解决。本文可以作为开发高能量密度和高功率密度的IL-REs的助推器，以加速其储能领域中的广泛应用。

Ionic Liquid-Based Redox Active Electrolytes for Supercapacitors”

https://doi.org/10.1002/adfm.202203611

卓克垒  教授    2000年博士毕业于中国科学院兰州化学物理研究所。2002年成为河南师范大学物理化学教授。目前主要研究方向为功能溶液化学、离子液体、电化学及碳基纳米材料。

在离子液体、水、小分子溶剂和生物分子的相互作用、离子液体的设计与应用、超级电容器碳基电极材料的合成、电极材料与离子液体电解质的匹配等方面取得了一系列成果，以通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Electrochim. Acta, Nanoscale, Green Energy Environ, J. Phys. Chem. C, J. Chem. Thermodyn.，《中国科学-化学》等学术刊物上发表论文120余篇。

张教授主要从事离子液体和绿色工艺的研究，包括离子液体的分子设计、离子液体的大规模制备及其在清洁工艺中的应用。截至目前，在学术期刊上发表SCI论文500余篇，撰写或编辑专著10部，授权专利130余项。现任两个国际期刊和《中国过程工程学报》的主编。

现任绿色化学介质与反应教育部重点实验室主任，兼任中国化学会化学热力学与热分析专业委员会主任、中国化工学会离子液体专业委员会副主任、中国化学会绿色化学专业委员会委员。目前主要研究方向为离子液体的结构性质关系及其在绿色分离、二氧化碳捕获和生物质加工中的应用。

他在J.Am.Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Comm., Chem. Soc. Rev., Chem. Eur. J., Chem.Comm., Green Chem., Environ.Sci.Technol., 等SCI期刊上发表了400余篇科学论文，被国内外同行他引18000余次。在中国科学、Springer和 Elsevier出版社出版学术著作3部，作为客座编辑在国内外著名学术杂志合作编辑主题专刊7期。现任Green Chemistry & Environment、Green Chemical Engneering和New Journal of Chemistry三个期刊的副主编。

孙莉    河南师范大学化学化工学院2019级博士研究生，主要研究方向为杂原子掺杂的二维纳米材料（石墨烯和MXene）及其复合材料在离子液体基电解质中的电化学性能研究以及高性能超级电容器的构筑等。研究生期间共发表论文3篇，承担河南师范大学研究生科学创新项目1项。