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An effective ‘salt in dimethyl sulfoxide/water’ electrolyte enables high-voltage supercapacitor operated at −50 °C

超级电容器 二甲基亚砜 电解质 盐(化学) 水溶液 离子电导率 离子液体 化学工程 电导率 材料科学 无机化学 溶剂 化学 电化学 有机化学 电极 催化作用 工程类 物理化学
作者
Yingbin Liu,Chang Yu,Xuedan Song,Siyi Hou,Shuqin Lan,Jinhe Yu,Yuanyang Xie,Jieshan Qiu
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:93: 361-367 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.01.068
摘要

Compared to organic electrolytes, aqueous electrolytes exhibit significantly higher ionic conductivity and possess inherent safety features, showcasing unique advantages in supercapacitors. However, challenges remain for low-salt aqueous electrolytes operating at high voltage and low temperature. Herein, we report a low-salt (0.87 m) ‘salt in dimethyl sulfoxide/water’ hybrid electrolyte with non-flammability via hybridizing aqueous electrolyte with an organic co-solvent of dimethyl sulfoxide (hydrogen bond acceptor). As a result, the 0.87 m hybrid electrolyte exhibits enhanced electrochemical stability, a freezing temperature below -50 °C, and an outstanding ionic conductivity of 0.52 mS cm-1 at -50 °C. Dimethyl sulfoxide can anchor water molecules through intermolecular hydrogen bond interaction, effectively reinforcing the stability of water in the hybrid electrolyte. Furthermore, the interaction between dimethyl sulfoxide and water molecules diminishes the involvement of water in the generation of ordered ice crystals, finally facilitating the low-temperature performance of the hybrid electrolyte. When paired with the 0.87 m ‘salt in dimethyl sulfoxide/water’ hybrid electrolyte, the symmetric supercapacitor presents a 2.0 V high operating voltage at 25 °C, and can operate stably at -50 °C. Importantly, the suppressed electrochemical reaction of water at -50 °C further leads to the symmetric supercapacitor operated at a higher voltage of 2.6 V. This modification strategy opens an effective avenue to develop low-salt electrolytes for high-voltage and low-temperature aqueous supercapacitors.
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