超級電容器作爲一種新型“綠色”儲能元件，具有比功率高、循環穩定性好、可快速充放電、無汙染、工作溫度範圍寬等優點，在機械能量回收、電動汽車、智能電網、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。超級電容器最大的缺點是能量密度低。擴展器件工作電壓窗口是提高器件能量密度的有效方法，而電解液的穩定工作電壓範圍對超級電容器的工作電壓窗口有著決定性的影響。近年來，“鹽包水”（Water-in-Salt，WIS）作爲一種新型高濃度水系電解液，因其具有寬的工作電壓窗口、安全、易操作等優點，已受到科研人員越來越多的關注，並將其應用于各類水系寬窗口電化學儲能器件的研發。
中國科學院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室阎兴斌研究員课题组一直致力于超级电容器的研究工作。
針對超高濃度WIS水系電解液因爲電解質陰陽離子相互作用過強而導致其離子傳輸能力差的缺點，該團隊開發出新型電解液，即通過向典型的WIS電解液（21 m LiTFSI/H2O）加入共溶劑乙腈，制備了“acetonitrile/water in salt”（AWIS）混合電解液。乙腈小分子可以插入LiTFSI陰陽離子之間，弱化其相互作用，從而提高Li+離子傳輸能力。與WIS電解液相比，AWIS混合電解液粘度低、電導率高、應用溫度範圍寬；同時，AWIS混合電解液保持了寬電壓窗口、不可燃和易操作的特點（圖1所示）。使用該AWIS混合電解液，成功組裝了安全、寬窗口、高倍率的超級電容器（Energy Environ. Sci., 2018, 11, 3212）。
圖 1. （左）基于AWIS混合電解液的DFT-MD計算；（右）采用WIS和AWIS電解液的EDLC器件在不同溫度的循環伏安（CV）曲線。
对于典型的LiTFSI锂鹽基WIS電解液，LiTFSI價格昂貴和用量大的缺點必將限制WIS電解液的实际商业应用。鉴于此，研究团队利用价格低廉的高氯酸钠来代替LiTFSI锂鹽，開發出了電化學窗口可達2.3 V的水系高倍率超級電容器（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 7541）；並利用乙腈進一步增加了WIS電解液中鹽與水的摩爾比，從而進一步將超級電容器的工作電壓窗口提升到2.5 V（Energy Storage Mater., 2019, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.03.016）。
基于前面的研究工作積累，該團隊將不同種類有機溶劑引入LiTFSI锂鹽WIS電解液中，結合拉曼光譜測試和分子動力學計算全面深入地研究其對WIS电解液粘度、电导率、窗口等性能的影响。同时利用三元相圖的方法系统地研究了三元电解液中盐、水、有机溶剂的比例对其溶解性、可燃性和电导率等性能的影响规律，并优化出具有不可燃性、高电导率和宽窗口的最佳电解液配方。
圖2 LiTFSI/H2O/ACN混合電解液的三元相圖。
研究人員深入地研究了不同有機溶劑對WIS電解液的影响，利用三元相圖的研究策略系统地表达了不同配比下混合电解液物理化学性能的变化规律。这种研究有机/水系混合電解液種類和配比的方法可以應用到具有優異性能的先進能源存儲設備的新型混合電解液篩選過程，爲電解液性能優化提供理論指導。該研究結果近期發表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater., 2019, 1904136)。
此外，該團隊發現LiTFSI基WIS電解液具有極好的保水能力，並基于此特性成功構築出了在120 ℃超幹燥條件下仍可以長時間正常工作的准固態超級電容器(J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA07209H)。
以上工作得到了國家自然科學基金、彩八彩票“一三五”戰略規劃重點培育項目和中科院潔淨能源創新研究院合作基金項目的資助。
