清洁能源的高效储存是实现碳中和的关键组成部分。电容器是通过分离正负电荷来存储能量的装置，超级电容器(SC)是可以存储和释放大量能量的电容器。一种称为氧化还原电解质增强型 SC (RE-SC) 的专用超级电容器，将液态氧化还原电解质(一种可充电的离子源)放置在碳基电导体或电极旁边，以实现高能量存储密度和功率输出。尽管性能有所提高，但 RE-SC 仍存在存储能量自放电的问题，限制了其实用性。目前正在研究开发自放电抑制策略，以提高 RE-SC 性能和清洁能源存储效率。

当前的储能技术面临着一系列的权衡：例如，高能量密度电池无法实现足够高的功率输出来满足需求，而SC可以提供足够的电力来满足需求，但能量密度较低。同样，与传统 SC 相比，RE-SC 提高了能量密度，但会快速自放电。尽管存在与自放电相关的缺点，RE-SC 仍具有许多优点，包括易于氧化还原电解质和电极制备、放大和组装、长寿命和简单的性能定制。研究人员正在研究克服 RE-SC 中自放电的新方法，包括隔膜改性、电解质调制、电极设计和整体器件优化。

来自中国科学院、太原中北大学和北京中国科学院大学的材料科学家团队发表了一篇关于 RE-SC 研究现状的综述以及该领域面临的挑战于 2023 年 10 月 26 日克服能源材料和设备 。

“带电的SC在开路情况下会经历自发电压降，这与电容器的致命弱点类似，限制了电容器的广泛应用。能量损失取决于自放电率，自放电率因设备中使用的不同类型的氧化还原活性电解质种类而异。为了大大减少自放电的有害影响，有必要了解自放电的机制……。欧姆泄漏、法拉第反应和电荷再分布被认为是 RE-SC 中三种被广泛接受的自放电机制。”该综述的作者、中国科学院碳材料重点实验室研究员田晓东说。中国科学院大学科学与材料科学与光电工程中心。

具体来说，电荷重新分布是指在外部电源移除后，电荷沿着浓度梯度从较高浓度移动到较低浓度。自放电的这一方面会导致 RE-SC 中的电压降低和能量存储降低。重要的是，优化电极的孔径分布 (PSD) 可以改变 RE-SC 中离子的扩散，从而改善由于这种现象引起的自放电。

“相比之下，欧姆泄漏通常源自电极/电解质界面附近的内部短路或寄生氧化还原反应。法拉第反应源于反应物，例如碳电极表面的氧官能团、氧化还原介体和电解质中的溶解氧，它们可以接受或失去电子。”田说。

为了克服这些因素，材料科学家正在研究几种有前途的策略。一种策略是修改 RE-SC 中的分隔符。在 SC 中，隔板将负极与正极隔离或屏蔽，并提供通道作为离子来回移动以存储和释放能量的开口。研究人员认为，优化隔膜的孔径、离子选择性和极性可以提供一种限制 RE-SC 自放电的方法。例如，离子交换膜已经减少了 RE-SC 中的自放电，但目前其成本太高，无法广泛使用。

氧化还原电解质的优化也可以减少自放电。一些电解质在充电和再充电过程中可以形成可逆的固体复合物，从而实现高能量密度、功率输出、长寿命和缓慢的自放电率。此外，与固定化氧化还原物质相比，离子液体可以设计为具有更快的氧化还原动力学，以提高功率输出和循环寿命。

RE-SC 电极的孔隙结构和表面极性是限制自放电的另一个关键因素。先前对隔膜和电解质优化进行的研究表明，加强离子与电极表面之间的相互作用将限制整个 RE-SC 系统的自放电量。例如，孔径小于 1 nm (10-9 m) 的碳基电极表现出较慢的自放电。添加功能阻挡层和采用多个电极或电解质的不对称设计也可能会减少自放电。

研究团队对 RE-SC 的潜力感到兴奋，但也承认，在 RE-SC 成为实用的储能手段之前，必须克服重大障碍。 “与传统的双电层电容器相比，RE-SC系统的研究仍处于起步阶段。需要对其应用进行广泛而彻底的研究。因此，应该更加关注缓解 RE-SC 中严重的自放电问题。”

其他贡献者包括中国科学院太原煤炭化学研究所和中北大学中国科学院碳材料重点实验室的施继勇;来自中国科学院煤化学研究所中国科学院碳材料重点实验室和中国北京大学材料科学与光电子工程中心的宋岩和刘占军;陶阳，来自位于中国太原的中国科学院煤炭化学研究所中科院碳材料重点实验室;和来自中国太原中北大学的胡盛亮。