CN104134551B - 一种电解液溶质、电解液及高电压超级电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种用于高电压超级电容器的电解液溶质和电解液及应用该电解液的高电压超级电容器。所述电解液溶质的阴离子可选自四氟硼酸根、六氟磷酸根、双(三氟甲基磺酰)亚胺、双(三氟甲基磺酰)甲基和全氟烷基磺酸根中的一种或几种，阳离子可为N‑甲基‑1,4‑二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，N,N‑二甲基‑1,4‑二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，N‑甲基‑1‑氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。使用本发明的电解液溶质配制的电解液制作的高电压超级电容器，在电压2.7V‑3.2V下能长时间稳定工作，极大地提高了能量密度，保持了其高功率密度的特性,又延长了工作寿命。

Description

一种电解液溶质、电解液及高电压超级电容器
技术领域
本发明涉及电化学领域，具体涉及一种用于高电压超级电容器的电解液溶质和电解液及应用该电解液的高电压超级电容器。
背景技术
超级电容器，也叫金电容、电化学电容器，采用离子吸附(双电层电容器)或者表面快速氧化还原反应(赝电容器)来存储能量。超级电容器是一种介于电池与传统静电电容器之间的新型储能器件。超级电容器存储的电荷是传统电解电容的成百或上千倍，能在数秒内完全充放电，具有比电池更高的功率输入或输出，且能在更短的时间内达到。同时，超级电容器具有充放电时间短、储存寿命长、稳定性高、工作温度范围宽(-40℃～70℃)等优点，因而广泛应用于消费类电子产品领域、新能源发电系统领域、分布式储能系统领域、智能分布式电网系统领域、新能源汽车等交通领域、节能电梯吊车等负载领域、电磁炸弹等军用设备领域和运动控制领域等，涉及新能源发电、智能电网、新能源汽车、节能建筑、工业节能减排等各个行业，属于标准的全系列低碳经济核心产品。
与电化学电池相比，超级电容器的能量密度偏低，工作电压低，这些缺点极大地限制了超级电容器在混合动力汽车、电动汽车上的应用。超级电容器的储能公式为E＝CV2/2，因此提高超级电容器的工作电压能有效提高其能量密度，而目前商业化的超级电容器电解液在超过2.7V电压下工作会引起电解液的电化学分解，导致电容器内压力显著增大，电化学性能明显降低，最终导致电容器失效。
电解液的分解电压决定电容器的工作电压，因此，研发高电压超级电容器使用的电解液能有效突破超级电容器的瓶颈，尤其是寻找耐电压更高的溶质，且更要实现超级电容器高耐电压与长寿命的良好平衡。公开号为CN100536048C的中国发明专利中公开了一种含N，N-二卤烷基-1，4-对二环顺辛烷四氟硼酸铵与传统的四乙基四氟硼酸铵(Et4NBF4)混合的超级电容器电解液，虽然具有一定的高耐压性，但并未对超级电容器的寿命特性作说明。公开号为CN101809693A的中国发明专利中提到在传统的Et4NBF4的乙腈(AN)溶液中加入各种除酸剂来减缓电容器内压力升高速率，来达到提高超级电容器工作电压的目的，这种方法在超级电容器使用初期能起到一定的效果，但随使用寿命的延长，电容器的电化学性能明显劣化，其寿命特性有待显著提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于高电压超级电容器的溶质及其电解液和超级电容器，在提高了超级电容器的能量密度的同时，又实现了超级电容器的长寿命特性。
本发明采用的技术方案为提供一种电解液溶质，其化学结构式为下列结构式1，结构式2和结构式3中的一种或几种；
其中，R、R1、R2、R3、R4分别对应含1-5个碳原子数的烃基(可以两两成环)，-A为阴离子，n和m为环上取代基数量，n为0-6的整数，m为0-7的整数。
进一步，上述的电解液溶质的阳离子为：
N-甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N-乙基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N，N-二甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N-甲基-N-乙基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N，N-二乙基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N-甲基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵和N-乙基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。
进一步，上述的电解液溶质的阳离子为：N-甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，N，N-二甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵和N-甲基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。
进一步，上述的电解液溶质的阴离子为：四氟硼酸根，六氟磷酸根，双(氟磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)甲基和全氟烷基磺酸根中的一种或几种。
进一步，上述的电解液溶质的阴离子为四氟硼酸根。
进一步，上述高电压超级电容器是指超级电容器充电截止电压为2.7V-3.2V。
本发明的另一技术方案为提供一种电解液，用于高电压超级电容器，包含溶剂和溶质，所述溶质含有上述的任一项的电解液溶质。
进一步的，上述的电解液中，所述溶剂为腈、醚、酰胺、酯类和砜类溶剂的一种或两种以上混合溶剂。
进一步的，上述的电解液中的溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1，3-丙烷磺内酯、1，4-丁烷磺内酯、环丁砜、甲基乙基砜、二甲基砜、二乙基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜和四亚甲基亚砜中的一种或两种以上混合溶剂。
本发明的又一技术方案为提供一种高电压超级电容器，包含电解液和浸入电解液的电芯，电芯由两集电极及设置于两集电极中间的隔膜组成，两集电极上附着有活性炭，所述电解液溶质含有A，所述A为化学结构式为结构式1，结构式2和结构式3的物质中的一种或几种；其中，R、R1、R2、R3、R4分别对应含1-5个碳原子数的烃基，-A为阴离子，n和m为环上取代基数量，n为0-6的整数，m为0-7的整数。
上述方案中，所述电解液中A的浓度为0,05-2.0mol/L，优选0.5-1.5mol/L。
进一步的，上述的高电压超级电容器中A的阳离子为：N-甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，N，N-二甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵和N-甲基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。
进一步的，上述的高电压超级电容器中，所述阴离子为：四氟硼酸根，六氟磷酸根，双(氟磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)甲基和全氟烷基磺酸根中的一种或几种。
进一步的，上述的高电压超级电容器中，所述溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1，3-丙烷磺内酯、1，4-丁烷磺内酯、环丁砜、甲基乙基砜、二甲基砜、二乙基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜和四亚甲基亚砜中的一种或两种以上混合溶剂。
进一步的，上述的高电压超级电容器的充电截止电压为2.7V-3.2V。
优选的，所述的高电压超级电容器的充电截止电压为2.7-3.0V，电解液溶质为三甲基丙基四氟硼酸铵，溶剂为碳酸丙烯酯。
优选的，所述的高电压超级电容器的充电截止电压为2.8-3.2V，所述电解液溶质为三甲基丙基四氟硼酸铵，溶剂为乙腈。
本发明的有益效果为：使用本发明的电解液溶质配制的电解液制作的高电压超级电容器，在电压2.7V-3.2V下能长时间稳定工作，极大地提高了能量密度，保持了其高功率密度的特性，又大大的延长了高电压超级电容器的工作寿命。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式详予说明。
本发明中电解液溶质可以用如下方法合成：对应的有机胺(如1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷)与碳酸二甲酯(DMC)按一定摩尔比(DMC/1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷＝1.0～2.5)反应生成季铵碱；季铵碱与含相应阴离子的酸(如HBF4)或铵盐(如NH4PF6)或有机金属盐(如LiCF3SO3)等反应得粗产物；粗产物在合适的溶剂中经重结晶提纯，即可得到电容级的高纯溶质盐。
在手套箱中组立超级电容器模型：电芯包括铝箔制作的两集电极、由活性炭制作的两工作电极和在其间插入的纤维布隔膜，但并不局限于此种结构。将电芯浸入以下对比例和实施例中的电解液中，采用铝壳和胶粒组立封口。
超级电容器测试过程为：
(1)预循环(10次)：25℃，充电截止电压U、恒定电流10mA/F进行充电；然后按下限电压U/2，恒定电流10mA/F进行放电；
(2)65℃高温箱中，恒定电流10mA/F充电至上限电压U，恒压(U)一定时间；
(3)取出超级电容器并冷却至25℃，再进行充放电测试，测试条件同预循环，并计算超级电容器的容量保持率、ESR增长率。
(4)以容量保持率≤60％，和(或)ESR增长率≥100％时，作为超级电容器寿命的判断标准。
实施例1
以N-甲基-1，4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷四氟硼酸铵(MDACOBF4)为溶质，AN为溶剂，配制1.0mol/L电解液，并测定其在25℃时的电导率，且把电解液的溶质、溶剂及浓度作调整，具体如下述实施例和对比例所示，电导率结果列于表1中。用本实施例电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命测试结果列于表2中。
实施例2-12
与实施例1条件一致，把电解液的溶质、溶剂及浓度作调整，各详细数据见表2-5所示。其中各溶质的化学结构式如下：
用上述实施例的电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命测试结果分别列于表2-表5中。
对比例1
以四乙基四氟硼酸铵为溶质，AN为溶剂，配制1.0mol/L电解液，并测定其在25℃时的电导率，结果列于表1中。用该电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命测试结果列于表2中。
对比例2-5
与对比例1条件一致，将电解液的溶质、溶剂及浓度作调整，各详细数据见表2-5所示，用这些电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命测试结果分别列于表2-表5中。
表1 25℃时，各电解液的电导率
表2 电容器寿命数据
表3 电容器寿命数据
表4 电容器寿命数据
表5 电容器寿命数据
从表2-5中数据可以明显看出，在不同的溶剂体系中，在不同截止电压下，使用本发明中提到的高电压溶质制作的超级电容器，寿命明显延长，电化学性能显著提高。而从对比例可以看出，使用惯常的溶质制备电解液制作的超级电容器，在高电压下(2.7V及以上)，电容器的寿命大大缩短，且随着截止电压的升高，电容器的寿命衰减更严重。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (16)

1.一种电解液，用于高电压超级电容器，包含溶剂和溶质，其特征在于，所述溶质为电解液溶质，其化学结构式为下列结构式1，结构式2和结构式3中的一种或几种；
其中，R、R1、R2、R3、R4分别对应含1-5个碳原子数的烃基，-A为阴离子，n和m为环上取代基数量，n为0-6的整数，m为0-7的整数。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液溶质的阳离子为：
N-甲基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N-乙基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N,N-二甲基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N-甲基-N-乙基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N,N-二乙基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，
N-甲基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵和N-乙基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于，所述电解液溶质的阳离子为：N-甲基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，N,N-二甲基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵和N-甲基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述阴离子为：四氟硼酸根，六氟磷酸根，双(氟磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)甲基和全氟烷基磺酸根中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于，所述阴离子为四氟硼酸根。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述高电压超级电容器是指超级电容器充电截止电压为2.7V-3.2V。
7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述溶剂为腈、醚、酰胺、酯类和砜类溶剂的一种或两种以上混合溶剂。
8.根据权利要求7所述的电解液，其特征在于，所述溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、环丁砜、甲基乙基砜、二甲基砜、二乙基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜和四亚甲基亚砜中的一种或两种以上混合溶剂。
9.一种高电压超级电容器，包含电解液和浸入电解液的电芯，电芯由两集电极及设置于两集电极中间的隔膜组成，两集电极上附着有活性炭，其特征在于，所述电解液包括溶剂和溶质，所述溶质含有A，所述电解液中A的浓度为0.05-2.0mol/L，所述A为化学结构式为结构式1，结构式2和结构式3的物质中的一种或几种；其中，R、R1、R2、R3、R4分别对应含1-5个碳原子数的烃基，-A为阴离子，n和m为环上取代基数量，n为0-6的整数，m为0-7的整数；所述结构式1，结构式2和结构式3具体如下：
10.根据权利要求9所述的高电压超级电容器，其特征在于，所述A的阳离子为：N-甲基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵，N,N-二甲基-1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷铵和N-甲基-1-氮杂二环[2.2.2]辛烷铵中的一种或几种。
11.根据权利要求9所述的高电压超级电容器，其特征在于，所述阴离子为：四氟硼酸根，六氟磷酸根，双(氟磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)亚胺，双(三氟甲基磺酰)甲基和全氟烷基磺酸根中的一种或几种。
12.根据权利要求9所述的高电压超级电容器，其特征在于，所述溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、甲氧基丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、环丁砜、甲基乙基砜、二甲基砜、二乙基砜、二甲基亚砜、二乙基亚砜和四亚甲基亚砜中的一种或两种以上混合溶剂。
13.根据权利要求9所述的高电压超级电容器，其特征在于，其充电截止电压为2.7V-3.2V。
14.根据权利要求9所述的高电压超级电容器，其特征在于，其充电截止电压为2.7-3.0V，所述电解液溶质为三甲基丙基四氟硼酸铵，溶剂为碳酸丙烯酯。
15.根据上述权利要求9所述的高电压超级电容器，其特征在于，其充电截止电压为2.8-3.2V，所述电解液溶质为三甲基丙基四氟硼酸铵，溶剂为乙腈。
16.根据上述权利要求9-15任一项所述的高电压超级电容器，所述电解液中A的浓度为0.5-1.5mol/L。
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