华中科技大学胡先罗教授团队《J. Energy Chem.》:新型光热材料助力耐低温电容器

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超级电容器在低温环境工作时容量衰减严重，极大限制了其在低温条件，如高海拔极寒地区、航空航天上的应用。如何开发出低温下能够正常运行的超级电容器器件是该领域研究人员所面临的巨大挑战之一。目前广泛认为：在低温环境下工作时，超级电容器中电解液较低的离子电导率以及离子在电极和电极/电解质界面处缓慢的扩散动力学是导致其容量衰减严重的主要原因。然而，目前改善超级电容器低温问题的策略如电解液设计、电极材料设计、外部/内部加热等都存在不同的缺点。比如，开发出新型的耐低温电解液虽然能够实现较好的低温性能，但是其常温性能往往有所牺牲。同时，新型电解液的成本、封装、腐蚀以及与电极材料的兼容性等问题都阻碍了其商业化应用。而电极材料设计往往对材料选择性较高，不具有普适性。外部/内部加热的方式虽然能够有效提升器件的实际温度，但是其装置构造较为复杂且需要消耗额外的能量。

近日，华中科技大学胡先罗教授团队采用光热驱动自加热的策略（如图1所示），开发出一种具有优异光热转化性能的新型电荷转移络合物，并运用到平面微型电容器，实现了超级电容器在低温环境下能够正常工作。相关成果以“Highly efficient H-bonding charge-transfer complex for microsupercapacitors under extreme conditions of low temperatures”为题发表在《Journal of Energy Chemistry》上。

图 1.  光热驱动自加热器件原理以及平面电容器构造示意图。

图文解析

1. 通过简单的液相法制备出了光热转化系数高达79.5%的电荷转移络合物，为制备其他低成本电荷转移络合物光热材料提供新思路。

以低成本的氯冉酸作为电子受体、阿苯达唑作为电子给体，通过两者在液相中的氢键作用，合成制备得到了新型的电荷转移络合物薄膜(CAC)。这种给体-受体的电荷转移有效缩小了络合物的带隙从而促进了其对光的吸收、实现了荧光淬灭，最终获得了高达79.5%(以405nm激光为光源)的光热转化效率以及优异的光热性能。

图 2.  电荷转移络合物的相关表征和光热性能测试。

2. 实现了光热驱动自加热平面电容器器件的组装，在-32.6 °C低温下获得了显著的温度提升以及容量提升。

将制备得到的有机络合物薄膜与平面电容器进行一体化整合及封装后，在-32.6 °C低温下进行测试发现，在1个太阳光照强度下，器件实现了高达22.7 °C的工作温度提升，同时容量也得到了显著的提升，展现出低温条件下可工作的潜力。

图 3. 光热驱动自加热平面电容器的电化学性能。

3. 验证了光热驱动自加热平面电容器在实际低温环境当中工作的可行性，为其实际应用提供了可能性。

以光热驱动自加热平面电容器组作为储能单元、太阳能电池作为发电单元组装成了一个完整的工作模块。在-30°C左右的低温以及1个太阳光照强度下，充电后的平面微型电容器组能够正常点亮LED灯。而没有光照时，平面电容器组无法使LED灯正常工作。这一结果有力证实了这种光热驱动自加热平面电容器在实际低温环境当中工作的可行性。

图 4. 光热驱动自加热平面电容器组的低温工作展示。

总结该研究合成了一种新型高效的电荷转移络合物光热材料，并将其运用于平面微型电容器组装成了光热驱动自加热装置。在-30°C左右的低温和光照条件下，该器件实现了显著的工作温度和电化学性能提升，展现出耐低温特性。同时，此类器件在低温开放环境中能够正常工作，为其实际应用提供了可能性。本研究为解决储能器件低温问题提供了可行的方案，也为光热驱动自加热器件在低温环境中的实际应用提供了可能性。同时，该研究也为扩展光热材料在储能领域的应用提供了新思路。

文章信息Libin Wang,Ting Shu, Songtao Guo, Shi Chen, Yingjun Jiang, Xianluo Hu* Highly efficient H-bonding charge-transfer complex for microsupercapacitors under extreme conditions of low temperatures. Journal of Energy Chemistry 51 (2020) 182-189

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495620301881

来源:华中科技大学

作者介绍胡先罗教授（通讯作者）华中科技大学教授、博士生导师。
主要从事锂电池与超级电容器材料研究。2004-2007年就读于香港中文大学获博士学位，2007-2008年在香港中文大学从事博士后研究，2008-2009年获日本学术振兴会（JSPS）奖励金资助在日本物质材料研究所（NIMS）从事JSPS博士后研究，2009年8月至今全职在华中科技大学材料科学与工程学院工作。先后主持了国家自然科学基金（6项）、科技部“十二五”国家863计划“能源及车用纳米功能材料的制备与应用关键技术”主题项目（担任项目首席专家）等科研项目。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Storage Mater.等国际著名学术期刊上发表SCI论文170余篇，引用16500余次（H-index 65），授权中国发明专利10余项。入选国家基金委优秀青年科学基金获得者（2015）、教育部青年长江学者（2017）、科睿唯安全球高被引科学家（2018、2019）、爱思唯尔中国高被引学者（2019）、教育部新世纪优秀人才（2012），获2016年国家自然科学二等奖（排3）、2015年教育部自然科学一等奖（排3）。

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