如今，可再生和可持续资源生产能源已成为优先事项，为了在我们的日常生活中有效地引入这些资源，必须使用有效的储能设备。在过去的几年里，人们为开发不同的储能系统做出了巨大的努力，在各种电化学储能装置中，超级电容器或双电层电容器（EDLCs）被认为是最重要的一种。在EDLCs中，能量通过在电极-电解质界面上形成的双电层以静电方式存储，这种存储过程使得设备显示出高比功率（高达10 kW kg-1)，高循环寿命（>1百万次循环）和非常短的充电/放电时间，然而比能量相当有限（5-8 Wh kg-1）。为了实现能源的可持续利用，迫切需要引入毒性较低、易燃性较低和可持续性较强的电解质，储能装置需要以可持续的方式实现。
基于此，德国耶拿弗里德里希·席勒大学技术化学与环境化学研究所Andrea Balducci教授报告了γ-戊内酯（GVL）的使用情况：这种溶剂可以实现具有良好传输特性和高热稳定性的电解质，可以成功地应用于EDLCs。基于GVL的EDLCs可以在2.7-2.9V下工作，并在电容、循环稳定性以及比能量和功率方面显示出良好的性能。
图文解读
Fig. 1. Comparison of the a) conductivity, b) viscosity in the temperature range from -30~80 °C, c) thermal stability in a temperature range from 30-550℃, and d) ESW of the electrolytes 0.6 M Et4NBF4 in GVL, 0.6 M Pyr14BF4 in GVL and 1 M Pyr14BF4 in GVL
图1显示了所研究的基于GVL的电解质的一些化学物理特性以及电化学稳定的比较窗口（ESW）。图1a和图1b显示了在-30~80℃温度范围内电解质的导电性和粘度的比较。如图1a所示，在20℃时，0.6 M Et4NBF4在GVL中显示的电导率为7.3 mS cm-1，这比GVL中的0.6 M Pyr14BF45.4 mS cm-1）更高。这些值低于传统电解质所显示的值，例如在20℃，1 MEt4NBF4在PC中显示的电导率为13 mS cm-1。图1c说明了基于GVL的电解质热行为。在30-550℃的热斜率测量过程中，由于溶剂GVL的蒸发，所有电解质的质量从30-100℃逐渐下降。这些结果表明，与传统的ACN电解质相比，GVL基电解质具有较低的挥发性，后者通常随着温度的升高呈现出快速的质量损失。随着温度的进一步升高，GVL基电解质的质量迅速损失，直到170℃左右蒸发结束。之后，电解质的质量没有明显变化，这表明留在电解质中的成分，即相应的导电盐，在接下来的温度范围内保持稳定。在电解质质量下降到零的时候，电解质中相应的导电盐以及GVL已经完全分解了。由于Pyr14BF4的热稳定性比Et4NBF4高，在含有前者的电解液中，电解液完全分解的温度比后者高（分别为450℃和375℃）。图1d比较了基于GVL的电解质的ESW。这些电解质显示的整体ESW大于4 V，可应用于EDLCs。
Fig. 2. CVs of the investigated EDLCs using the electrolytes a) 0.6 M Et4NBF4 in GVL, b) 0.6 M Pyr14BF4 in GVL and c) 1 M Pyr14BF4in GVL with the scan rates ranging from 1-200 mV s-1
图2a-c比较了所研究的基于GVL的EDLCs的CV曲线。为了更容易比较器件的行为，对含有Et4NBF4的EDLCs进行了测试，使用了2.7 V的最大工作电压，而含有Pyr14BF4的器件的工作电压为2.9 V。然而，在1 mV s-1，存在一些峰值，这可能是由电极表面和电解质之间发生的副反应引起的。此外，随着扫描速率的增加，矩形的CV曲线也出现了扭曲。在GVL中含有0.6 M Pyr14BF4的EDLCs中观察到更大的CV曲线失真（图2b），这事由于与其他两种电解质相比，这种电解质的传输特性相对较差。这些器件显示的电容在20-25 F/g之间，与含有传统或不同类型的替代电解质的交流型EDLCs显示的电容相当。
Fig. 3. a) Comparison of capacitance retention displayed by the GVL-based EDLCs at different current densities ranging from 0.5 – 20 A g-1 with the indicated respective cell voltage; b) Comparison of specific power and energy in the Ragone plot for the corresponding investigated EDLCs
图3a比较了所研究的基于GVL的EDLCs在电流密度为0.5-20 A/g的静电充电-放电过程中的电容保持率。如图所示，所有器件在5 A/g之前都显示出良好的电容保持率（>80%）。在这个电流密度值以上，它们的行为会有所区别。在GVL中含有0.6 M Pyr14BF4的装置是导电性最低的电解质，在10 A/g时失去了大部分电容，在20 A/g时不再能提供任何电容。在GVL中含有1 M Et4NBF4的装置显示出更高的电容保持率，在10 A/g时失去了大部分电容，而在20 A/g时，它只能提供其初始电容的一半。这两个器件的不同表现显然与所使用的电解质的导电性有关。在GVL中含有0.6 M Et4NBF4的装置达到最高电容保持率。如图3a所示，该器件在20 A/g也能保留其初始电容的大部分。由于该电解液的电导率低于含有Pyr14BF4的两种电解液，这一结果表明，导电盐的性质似乎对器件的性能有很大影响。
Fig. 4. Comparison of capacitance retention displayed by the GVL-based EDLCs, which were investigated in a floating test of 500 h at the cell potential of 2.7 V
为了获得有关使用GVL电解质的EDLCs长期稳定性的信息，在2.7 V的最大电池电位下进行了浮动测试。如图4所示，在GVL中含有0.6 M Et4NBF4和0.6 M Pyr14BF4的EDLCs在2.7 V下浮动500小时后显示出73%的可比电容保持率，而在GVL中含有1 M Pyr14BF4的EDLCs显示出近60%的电容保持率，尽管它是被确定为更高工作电压的系统。
Fig. 5. Comparison of capacitance retention displayed by GVL-based EDLCs in a modified cell setup, which were investigated in a floating test of 150 h at the cell potential of 2.7 V and 2.9 V
如图5所示，在2.7 V下漂浮150小时后，该器件能够保持其初始电容的58%，而在2.9 V下漂浮相同时间后，其电容保持率为43%。
总结
如果不开发可持续的电解质，就无法实现可持续的EDLCs。在这项工作中，作者证明了GVL可以成功地用于实现合适EDLCs的电解质。基于GVL的电解质表现出良好的传输和热性能，使用它们可以实现EDLCs的工作电压窗口为2.7-2.9 V，这与传统电解质相当。基于GVL的EDLC显示良好电容、循环稳定性以及比能量和功率方面的性能（在10 A/g分别为15 Wh kg-1和23 kW kg-1）。在未来，优化净化将非常重要，提高GVL纯度和确定最佳盐溶剂组合的程序，以便进一步提高了基于GVL的EDLC的性能。
