近日，中国科学院山西煤炭化学研究所苏方远研究员团队在超级电容器自放电机制与界面调控方面取得重要进展。研究成果以“Stabilizing the Helmholtz Layer via Surface Amination to Realize Low Self‐Discharge Supercapacitors”为题发表于《Energy Storage Materials》期刊。

研究首次明确了双电层超级电容器未充电状态下PC基电解液中阴离子在负极表面的自发吸附是其快速自放电的微观起源，并采用多孔炭表面氨基化策略抑制阴离子特异性吸附，实现了超级电容器静置500小时电压保留率大于71%的自放电性能，相较于行业内静置72小时电压保留率不低于80%的要求有了极大改善，为提升实际工况下超级电容器电化学性能提供了新见解。

超级电容器作为一种高功率密度、长循环寿命的储能器件，在可再生能源的快速存储与管理领域具有重要应用价值。然而其固有的自放电现象导致的电压损失仍是制约实际应用的重要因素。现有研究表明，由扩散控制的非法拉第过程引发的自放电是超级电容器自放电的主导因素。但电极-电解液界面阴、阳离子吸附行为差异对自放电性能的影响仍缺乏深入研究，特别是阴离子在电极表面的自发吸附是否驱动负极快速自放电，长期以来缺乏直接证据。

针对这一科学问题，研究团队建立了联合多维电化学原位表征框架用于揭示电解质离子暂态吸附+动态扩散行为，系统研究了阴、阳离子吸附行为差异对自放电性能的影响。研究首次揭示了未充电状态下BF₄^-阴离子在多孔炭负极表面发生特异性吸附是主导PC基超级电容器自放电现象的微观原因。该过程破坏了充放电过程中由SBP⁺阳离子构成的亥姆霍兹（Helmholze）层的稳定性，促使阳离子加速扩散远离电极表面，从而导致负极主导的快速自放电。进一步地，研究团队通过多孔炭表面氨基化策略，向负极表面定向引入负电中心以抑制阴离子特异性吸附，从而提高了充放电过程中负极表面Helmholze层的稳定性，改善了负极的快速自放电问题。在静置500小时后，负极材料表面氨基化改性的超级电容器电压保持率从59.35%提升至71.57%。

本研究首次揭示了超级电容器负极自放电行为的微观驱动力，并通过界面电荷调控实现了Helmholze层的长期稳定，为超级电容器新型界面改性策略提供了新的理论依据。本工作提出的界面修饰策略兼具简洁性、普适性与工程可行性，为构建低自放电、高稳定性的下一代超级电容器材料指明了发展方向。

（709课题组）