Nature子刊:有牺牲,才有更好的锂离子电容器!

锂离子电容器一般由以下部分组成：

1）锂离子电池负极——石墨电极；

2）电化学双层电容器正极——活性炭；

3）锂离子电池电解质。

 

相比电化学双层电容器，锂离子电容器的优势在于，石墨负极需要在更窄的电压窗口工作，而活性炭正极可以在更宽的电压窗口工作，从而储存更多电荷。

 

图1. 利用不同策略进行石墨预锂化的LIC设计策略

 

问题在于：混合的锂离子电容器正极没有锂离子源，需要预充电，使石墨电极预锂化，过程繁琐。

 

有鉴于此，T. Brousse等人利用一种有机锂盐作为牺牲剂和碳混合制备混合正极，实现了安全、可重复的锂离子电容器。

 

图2. 锂离子电容器恒电流充电

 

图3. Li₂DHBN的电化学行为

 

图4. Li₂DHBN的氧化

这种有机盐名为3,4-二羟基苯腈二锂盐(Li₂DHBN)，可在初始原位充电步骤为石墨电极不可逆提供锂离子，并且不会对后续工作产生任何不良影响。

 

作为牺牲剂，这种锂化的二烯醇结构有机锂盐具有以下优势：

1）邻苯二酚骨架结构和吸电子基团，确保在略低于3.5V的电压下脱锂；

2）低分子量以及二电子反应，确保高理论容量：365 mAh g^-1；

3）在常规碳酸酯类电池电解液中溶解性较差（<1%），而其氧化态溶解性良好；

4）不含有任何其他金属离子，廉价易得。

 

这一策略可以有效捕获锂离子电容器中痕量CO₂的足迹，并帮助化学家设计一系列绿色混合动力设备提供了良好的借鉴！

 

图5. 恒电流充放电性能

 

图6. 循环寿命

 

图7. LIC和EDLC对比

 

P. Jeżowski, T. Brousse et al. Safe and recyclable lithium-ion capacitors using sacrificial organic lithium salt. Nature Materials 2017.