甜菜碱解锁水系电容能量密码，西安交大突破2.5倍能量密度极限

电子发烧友网综合报道

随着全球能源结构的加速转型，高效、安全的储能技术成为推动可再生能源普及的关键。在众多储能器件中，水系超级电容器凭借其高安全性、长循环寿命和环境友好性，被视为下一代储能设备的理想选择。

然而，传统水系电解液受限于狭窄的电化学稳定性窗口（仅1.23V），导致器件能量密度难以突破，极大限制了其在电动汽车、智能电网等高需求场景中的应用潜力。

近日，西安交通大学李磊教授团队通过创新性地引入两性离子功能材料甜菜碱，成功破解了这一技术瓶颈，为水系超级电容器的高性能化开辟了全新路径。

这一研究成果以《通过甜菜碱调节电极/电解质的界面特性增强超级电容器的能量存储》为题，发表在知名期刊《储能材料》上，为水系储能技术的发展注入了新的活力。

甜菜碱均匀的包覆在活性炭表面，避免水系电解液和活性炭的直接接触。一方面，甜菜碱吸附电解液中的水，形成新的氢键，破坏水的原始氢键，从而降低活性炭附近电解液中水的活性，导致器件的工作电压从1.0V大幅增加到1.4V。

另一方面，甜菜碱对电解液离子的吸附能力比活性炭强，导致器件电容在1Ag-1时由21.35Fg-1大幅增加到27.73Fg-1。

它们的协同作用使超级电容器的能量密度从2.97Whkg-1提高到7.55Whkg-1，增加了接近2.5倍；功率密度从4.54kWkg-1提高到6.82kWkg，增加了1.5倍。

同时，器件还具有良好的循环稳定性，在1.4V和4Ag-1下循环10000次后，电容保持率接近100%。除此之外，这种策略还极大地降低了器件的漏电流以及电压降。

这项研究的创新之处在于其对固-液界面特性的精准调控。传统研究往往聚焦于电极材料本身的改性或电解液成分的优化，而李磊团队则将目光投向了两者之间的界面区域，通过引入甜菜碱这一简单高效的媒介，实现了对界面微环境的有效调控，从而突破了水系电解液稳定性窗口的固有限制。这种从界面入手的解决思路，为其他储能器件的性能优化提供了重要的借鉴意义。

该研究由西安交通大学材料学院硕士生周笑宇作为第一作者完成，青年教师史晓薇和李磊教授担任共同通讯作者，金属材料强度全国重点实验室为唯一通讯单位，并得到了国家自然科学基金的资助，充分体现了我国在储能材料基础研究领域的深厚积累和产学研协同创新的强大实力。

随着新能源汽车、智能电网、便携式电子设备等领域的快速发展，对高能量密度、高安全性、长寿命的储能器件需求日益迫切。西安交大团队的这项研究成果，不仅显著提升了水系超级电容器的性能指标，更打破了人们对水系储能技术的固有认知，为其在更多领域的应用铺平了道路。

同时，这项成果的发表标志着我国在水系储能领域的研究跻身国际前沿。相较于欧美国家侧重于有机电解液体系的研究，我国科学家另辟蹊径，通过界面工程开辟了水系储能的新赛道。随着全球对高安全储能技术的迫切需求，这种基于绿色化学理念的创新策略，或将引领新一轮储能技术革命。