三阳离子液体(TILs)电解液已成功应用于石墨烯电极的超级电容器中。与单阳离子液体(MILs)相比，TILs具有三个单位正电荷，由于更大的液体温度范围，更高的热稳定性和灵活性，近年来在超级电容器中得到了越来越多的关注，且研究发现在高电势电极上具有更高的电容和能量密度。然而，实验证实TILs中阴离子和阳离子的强缔合会阻碍离子运输，从而导致相当低的导电性，这大大降低了超级电容器的高功率密度优势。大量的实验和模型研究证实，加入有机溶剂可以增强离子液体的扩散和导电性。然而，与MILs相比，TILs具有更大的尺寸和更长的碳链，这引起了极大的兴趣来研究随着溶剂的加入TILs本体液的结构和动力学性能是如何变化? 此外，对纯MILs和MILs/有机溶剂电解液中双电层的电容‑电势曲线已进行了广泛的研究，而有机溶剂对TILS-碳界面的结构和电容的影响尚未揭示。

基于上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心李丹丹同学作为第一作者，王晓东教授作为通讯作者，在国际期刊The Journal of Physical Chemistry B上发表了三阳离子液体/有机溶剂混合电解液超级电容器的论文，论文题目为“Structure and Capacitance of Electrical Double Layers in Tricationic Ionic Liquids with Organic Solvents”。该项工作系统研究了随着溶剂的加入TILs本体液的结构和动力学性能的变化。同时，揭示了不同电势碳电极上TIL/ACN和TIL/EC电解液的双电层的电荷储存机理和电容性能。

【论文概述】

基于分子动力学模拟，论文采用了两种性质不同的有机溶剂，乙腈（ACN）和碳酸乙烯酯（EC），作为TIL [C6(mim)3](Tf2N)3的共溶剂。详细探讨了离子-离子、离子-有机溶剂的相互作用、以及在不同离子浓度的混合溶液中离子液体的扩散性能和电导率的变化。此外，研究了不同电势碳电极上，有机溶剂对混合电解液形成的双电层的电荷储存机理和电容性能的影响，并与纯TIL双电层进行了比较。

（图为不同离子浓度的混合电解液结构示意图）

（图为不同离子浓度的TIL/ACN混合液中离子液体导电性的变化图）

（图为在两种不同离子浓度的混合电解液中双电层积分电容的变化图）

论文得出以下结论：（1）两种有机溶剂的加入都显著降低了离子间的相互作用，从而大大提高了离子扩散系数和TIL的电导率，且在0.55 M的TIL/ACN电解液中电导率最高。（2）在有机电解液中，特别是在TIL/EC中，观察到在带电电极附近反离子的堆积大大减弱和同离子的消失。（3）溶剂ACN或EC对非对称骆驼形电容-电压曲线的影响较弱，对纯TIL基双电层电容有一定的提高作用。（4）通过比较不同溶剂含量下TIL/ACN和TIL/EC的积分电容，发现降低溶剂极性更有利于提高双电层电容。综上所述，在本研究中，0.55 M TIL/ACN电解液是高性能超级电容器的最佳选择。因此，用合适的溶剂在超级电容器中溶剂化TILs电解液可以在不降低能量密度的情况下有效地提高功率密度。

论文得到了国家自然科学基金（51936004）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）和中央高校基础科研项目（2020MS063）资助。

撰稿人：李丹丹