清潔能源的高效儲存是實現碳中和的關鍵組成部分。電容器是通過分離正負電荷來存儲能量的裝置，超級電容器(SC)是可以存儲和釋放大量能量的電容器。一種稱為氧化還原電解質增強型 SC (RE-SC) 的專用超級電容器，將液態氧化還原電解質(一種可充電的離子源)放置在碳基電導體或電極旁邊，以實現高能量存儲密度和功率輸出。盡管性能有所提高，但 RE-SC 仍存在存儲能量自放電的問題，限制了其實用性。目前正在研究開發自放電抑制策略，以提高 RE-SC 性能和清潔能源存儲效率。

當前的儲能技術面臨著一系列的權衡：例如，高能量密度電池無法實現足夠高的功率輸出來滿足需求，而SC可以提供足夠的電力來滿足需求，但能量密度較低。同樣，與傳統 SC 相比，RE-SC 提高了能量密度，但會快速自放電。盡管存在與自放電相關的缺點，RE-SC 仍具有許多優點，包括易于氧化還原電解質和電極制備、放大和組裝、長壽命和簡單的性能定制。研究人員正在研究克服 RE-SC 中自放電的新方法，包括隔膜改性、電解質調制、電極設計和整體器件優化。

來自中國科學院、太原中北大學和北京中國科學院大學的材料科學家團隊發表了一篇關于 RE-SC 研究現狀的綜述以及該領域面臨的挑戰于 2023 年 10 月 26 日克服能源材料和設備 。

“帶電的SC在開路情況下會經歷自發電壓降，這與電容器的致命弱點類似，限制了電容器的廣泛應用。能量損失取決于自放電率，自放電率因設備中使用的不同類型的氧化還原活性電解質種類而異。為了大大減少自放電的有害影響，有必要了解自放電的機制……。歐姆泄漏、法拉第反應和電荷再分布被認為是 RE-SC 中三種被廣泛接受的自放電機制。”該綜述的作者、中國科學院碳材料重點實驗室研究員田曉東說。中國科學院大學科學與材料科學與光電工程中心。

具體來說，電荷重新分布是指在外部電源移除后，電荷沿著濃度梯度從較高濃度移動到較低濃度。自放電的這一方面會導致 RE-SC 中的電壓降低和能量存儲降低。重要的是，優化電極的孔徑分布 (PSD) 可以改變 RE-SC 中離子的擴散，從而改善由于這種現象引起的自放電。

“相比之下，歐姆泄漏通常源自電極/電解質界面附近的內部短路或寄生氧化還原反應。法拉第反應源于反應物，例如碳電極表面的氧官能團、氧化還原介體和電解質中的溶解氧，它們可以接受或失去電子。”田說。

為了克服這些因素，材料科學家正在研究幾種有前途的策略。一種策略是修改 RE-SC 中的分隔符。在 SC 中，隔板將負極與正極隔離或屏蔽，并提供通道作為離子來回移動以存儲和釋放能量的開口。研究人員認為，優化隔膜的孔徑、離子選擇性和極性可以提供一種限制 RE-SC 自放電的方法。例如，離子交換膜已經減少了 RE-SC 中的自放電，但目前其成本太高，無法廣泛使用。

氧化還原電解質的優化也可以減少自放電。一些電解質在充電和再充電過程中可以形成可逆的固體復合物，從而實現高能量密度、功率輸出、長壽命和緩慢的自放電率。此外，與固定化氧化還原物質相比，離子液體可以設計為具有更快的氧化還原動力學，以提高功率輸出和循環壽命。

RE-SC 電極的孔隙結構和表面極性是限制自放電的另一個關鍵因素。先前對隔膜和電解質優化進行的研究表明，加強離子與電極表面之間的相互作用將限制整個 RE-SC 系統的自放電量。例如，孔徑小于 1 nm (10-9 m) 的碳基電極表現出較慢的自放電。添加功能阻擋層和采用多個電極或電解質的不對稱設計也可能會減少自放電。

研究團隊對 RE-SC 的潛力感到興奮，但也承認，在 RE-SC 成為實用的儲能手段之前，必須克服重大障礙。 “與傳統的雙電層電容器相比，RE-SC系統的研究仍處于起步階段。需要對其應用進行廣泛而徹底的研究。因此，應該更加關注緩解 RE-SC 中嚴重的自放電問題。”

其他貢獻者包括中國科學院太原煤炭化學研究所和中北大學中國科學院碳材料重點實驗室的施繼勇;來自中國科學院煤化學研究所中國科學院碳材料重點實驗室和中國北京大學材料科學與光電子工程中心的宋巖和劉占軍;陶陽，來自位于中國太原的中國科學院煤炭化學研究所中科院碳材料重點實驗室;和來自中國太原中北大學的胡盛亮。