超级电容器自放电的研究进展与挑战

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文章题目：Insight into the self-discharge suppression of electrochemical capacitors: progress and challenges

第一作者：尚文旭通信作者：谈鹏近日，中国科学技术大学谈鹏教授课题组在Advanced Powder Materials上刊登了题为“Insight into the self-discharge suppression of electrochemical capacitors: progress and challenges”的综述工作（DOI: https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100075）。本工作从超级电容器的自放电原理出发，系统性地总结了最近几年在抑制自放电上的突破性进展，并分析了各种抑制策略的优缺点，目前存在的问题以及未来可能的研究方向。01
研究背景

绿色清洁能源的快速发展要求高性能电化学储能设备，超级电容器由于具有高功率密度，长循环寿命以及快速的倍率性能而得到广泛的关注。然而，受制于双电层以及赝电容存储机制，超级电容器有着很严重的自放电问题，严重影响了其在可穿戴设备，长周期储能设备上的应用。因此，对于自放电的研究显得尤为重要。本文从目前研究的三种不同的自放电机理（欧姆损失，寄生法拉第反应，和电荷重分布）出发，从电极、电解质、隔膜、以及系统设计层面介绍了最近几年来在抑制自放电策略以及原理探索方面的研究，并给出了未来发展的方向。

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创新点

（1）从机理出发，并结合实例阐述了超级电容器自放电的原理；

（2）将抑制方法按照材料（电极，电解质，隔膜）以及系统优化进行分类，详细介绍了抑制原理及对应的效果，给出普适性的应用方向；

（3）客观地评价了不同抑制策略的优缺点，并给出了未来抑制自放电研究可能的发展方向。

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研究内容一、全面总结了超级电容器中自放电的机理。

如图1所示，欧姆损失来源于正极和负极之间的阻抗通道；寄生法拉第反应来源于电极表面杂质离子的氧化与还原，按原理可以分为活化控制以及扩散控制；电荷重分布是来自于充电过程中电荷分布的不均匀性，通常是由多孔电极导致的。

图1 超级电容器自放电原理总结

二、分别从电容器各部分（电极、电解质、隔膜、以及充电协议设计和系统优化）出发，介绍了各种抑制自放电策略及其原理和对应的效果。

（1）在电极表面方面，造成自放电的原因主要包括不同的孔分布以及表面杂质离子的副反应。针对此，目前的抑制策略主要包括孔尺寸和形状优化，施加绝缘层，以及去除各种含氧官能团等。

（2）在电解质方面，找出自放电的原因主要包括浓度梯度以及杂质离子的“穿梭效应”所造成的不可避免的离子扩散。本文按照抑制策略和电解质的类型，将电解质中的抑制策略按照普通电解质、电场效应、高浓度电解质以及固态电解质进行划分。在普通电解质中，可以通过添加具有静电效应的添加剂来抑制离子扩散；在电场效应中，通过添加电流变（electrorheological）分子，可以在充放电过程中调控电解液的粘度，从而抑制离子扩散；在高浓度电解质中，使用“盐包水”电解质一方面可以降低水分子的化学活性，另一方面可以提升电解质的粘度；最后，固态电解质由于其本身较低的离子传输速率，自放电比液态的要好，通过优化凝胶中的链以及应用液态电解质中的普适性方法还可以进一步抑制自放电。

（3）在离子交换膜方面，通过调控其离子选择性、充电极化，以及孔尺寸可以很好地抑制自放电。

（4）在系统及充电协议方面，通过优化充电方式（例如：小电流和恒压充电），可以优化电荷重分布；通过整合电池特性的集流体可以弥补电流泄露；通过整合电池类型的电极（例如锌）可以固定离子，抑制其自发扩散。

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结论与展望

受制于严重的自放电问题，超级电容器在实际应用上有着明显的短板。为了克服这个缺点，最近几年涌现出大量杰出的抑制自放电方面的工作。本文首先介绍了自放电的原理，接着又从材料（电极，电解质以及隔膜）以及系统层面介绍并评估了各类抑制自放电的策略。基于目前的研究现状，本文又给出了一些挑战及可行性的解决方案：

（1）在电极方面：1.可以进一步通过模拟优化知道孔结构的设计；2.进一步研究更有效的掺杂策略；3.综合分析不同官能团的影响。

（2）在电解质方面：1.开发地带有电场效应的新型氧化还原分子；2.评估不同杂质离子对自放电的影响；3.开发更多有利于离子分布的添加剂。

（3）在隔膜方面：长时间循环下的隔膜极化能力以及孔的选择性需要评估以及提升。

（4）在系统优化方面：1.通过优化电极和集流体的放置方式可以优化电荷分布；2.应用磁场抑制离子扩散或者改变浓度；3.研究不同系统下最佳的充电方式。

（5）综合评估以及优化亟需进一步提升：1.自放电评价参数需要统一；2.循环过程中自放电变化评价未报道；3.极端条件下的自放电需要进一步评估。

总而言之，通向彻底解决超级电容器自放电问题的路上还有许多挑战。我们相信，通过机理的不断挖掘，各种策略的提出以及耦合，更加科学的评价标准的提出，自放电问题一定可以得到更好地解决，从而推动超级电容器更加广泛的产业化应用。

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作者介绍

尚文旭，中国科学技术大学博士研究生在读。目前致力于碱性锌基电池中正极材料及系统优化研究。以第一作者身份在Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A、Small、Cell reports physical science等国际高水平SCI期刊发表论文10余篇，以学生第一发明人身份申请中国发明专利6项，其中已授权4项。

谈鹏，中国科学技术大学热科学和能源工程系特任教授，长期从事新型电池体系中物质传输和能量转化特性研究，包括热质传递特性、高性能电池材料开发、新型电池结构设计与优化等，入选中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。近年来，主持科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项，发表学术论文100余篇，引用4000余次；申请中国发明专利18项。

课题组主页：

http://institution.ustc.edu.cn/AdvancedBatteryGroup/zh_CN/index.htm

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文章信息Wenxu Shang, Wentao Yu, Xu Xiao, Yanyi Ma, Yi He, Zhongxi Zhao, Peng Tan*, Insight into the self-discharge suppression of electrochemical capacitors: progress and challenges, Adv. Powder Mater., https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100075

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