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隨著全球能源結(jié)構(gòu)的加速轉(zhuǎn)型，高效、安全的儲(chǔ)能技術(shù)成為推動(dòng)可再生能源普及的關(guān)鍵。在眾多儲(chǔ)能器件中，水系超級(jí)電容器憑借其高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命和環(huán)境友好性，被視為下一代儲(chǔ)能設(shè)備的理想選擇。

然而，傳統(tǒng)水系電解液受限于狹窄的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口（僅1.23V），導(dǎo)致器件能量密度難以突破，極大限制了其在電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)等高需求場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。

近日，西安交通大學(xué)李磊教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新性地引入兩性離子功能材料甜菜堿，成功破解了這一技術(shù)瓶頸，為水系超級(jí)電容器的高性能化開辟了全新路徑。

這一研究成果以《通過(guò)甜菜堿調(diào)節(jié)電極/電解質(zhì)的界面特性增強(qiáng)超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)》為題，發(fā)表在知名期刊《儲(chǔ)能材料》上，為水系儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

甜菜堿均勻的包覆在活性炭表面，避免水系電解液和活性炭的直接接觸。一方面，甜菜堿吸附電解液中的水，形成新的氫鍵，破壞水的原始?xì)滏I，從而降低活性炭附近電解液中水的活性，導(dǎo)致器件的工作電壓從1.0V大幅增加到1.4V。

另一方面，甜菜堿對(duì)電解液離子的吸附能力比活性炭強(qiáng)，導(dǎo)致器件電容在1Ag-1時(shí)由21.35Fg-1大幅增加到27.73Fg-1。

它們的協(xié)同作用使超級(jí)電容器的能量密度從2.97Whkg-1提高到7.55Whkg-1，增加了接近2.5倍；功率密度從4.54kWkg-1提高到6.82kWkg，增加了1.5倍。

同時(shí)，器件還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在1.4V和4Ag-1下循環(huán)10000次后，電容保持率接近100%。除此之外，這種策略還極大地降低了器件的漏電流以及電壓降。

這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于其對(duì)固-液界面特性的精準(zhǔn)調(diào)控。傳統(tǒng)研究往往聚焦于電極材料本身的改性或電解液成分的優(yōu)化，而李磊團(tuán)隊(duì)則將目光投向了兩者之間的界面區(qū)域，通過(guò)引入甜菜堿這一簡(jiǎn)單高效的媒介，實(shí)現(xiàn)了對(duì)界面微環(huán)境的有效調(diào)控，從而突破了水系電解液穩(wěn)定性窗口的固有限制。這種從界面入手的解決思路，為其他儲(chǔ)能器件的性能優(yōu)化提供了重要的借鑒意義。

該研究由西安交通大學(xué)材料學(xué)院碩士生周笑宇作為第一作者完成，青年教師史曉薇和李磊教授擔(dān)任共同通訊作者，金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為唯一通訊單位，并得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，充分體現(xiàn)了我國(guó)在儲(chǔ)能材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的深厚積累和產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新的強(qiáng)大實(shí)力。

隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高能量密度、高安全性、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能器件需求日益迫切。西安交大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果，不僅顯著提升了水系超級(jí)電容器的性能指標(biāo)，更打破了人們對(duì)水系儲(chǔ)能技術(shù)的固有認(rèn)知，為其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。

同時(shí)，這項(xiàng)成果的發(fā)表標(biāo)志著我國(guó)在水系儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究躋身國(guó)際前沿。相較于歐美國(guó)家側(cè)重于有機(jī)電解液體系的研究，我國(guó)科學(xué)家另辟蹊徑，通過(guò)界面工程開辟了水系儲(chǔ)能的新賽道。隨著全球?qū)Ω甙踩珒?chǔ)能技術(shù)的迫切需求，這種基于綠色化學(xué)理念的創(chuàng)新策略，或?qū)⒁I(lǐng)新一輪儲(chǔ)能技術(shù)革命。