CN104681302A - 一种宽温高电压型超级电容器有机电解液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为0.5~1.5mol/L，离子液体的浓度为0.01~0.05mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：0.1~2混合而成。本发明对超级电容器有机电解液的配方进行了优化改进，对有机电解液中添加的低熔点溶剂组分进行了筛选设计，添加了离子液体，在降低电解液凝固点的同时提高其耐高温性能和耐高电压性能，使用温度范围在-65~70℃之间，使用温度范围广，耐电压范围可达2.75V左右，兼具良好的耐低温性能、耐高温性能和耐高电压性能。本发明还公开了一种宽温高电压型超级电容器有机电解液的制备方法，该制备方法工艺步骤简单，可操作性强，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器电解液技术领域，尤其是涉及一种宽温高电压型超级电容器有机电解液及其制备方法。
背景技术
电化学双电层电容器又称超级电容器（super capacitors），极端电容器等，是介于二次电池与传统静电电容器之间的新型能量储存器件，比传统静电电容器有更高的能量密度，比二次电池有更大的功率密度，其具有、功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、循环稳定性好，免维护，环境友好等优点，已经在很多领域，如轨道交通、风力发电、油电混合动力车、电子器件的后备电源等展现出广阔的应用前景。
当前超级电容器有机体系电解液主要由有机溶剂和有机盐。溶剂包括如乙腈、碳酸丙烯酯等，有机盐包括四乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵。工作电压一般在2.7V，最低工作温度为-50℃。这是由于温度低于-50℃则会导致电解液结晶，电容器不能实现充放电功能。
在很多领域，如航空航天，军工及极地环境等要求电子储能器件的工作温度在-60℃及以下。美国航空航天局之前报道将甲酸甲酯、1,3-二氧戊环、乙酸甲酯、甲酸乙酯等加入乙腈体系电解液中用于超级电容器，可以实现-60℃的低温环境工作。但是以上溶剂在电解液中存在缺陷，如甲酸甲酯沸点只有39℃，这导致超级电容器高温性能极差，在50℃环境中工作就会使电容器因为溶剂的挥发而鼓胀。另外此电解液体系耐电压性能差，通常只能在2.5V电压下工作。
申请公布号CN102254691A，申请公布日2011.11.23的中国专利公开了一种超级电容器的电解液，通过向电解液的主体溶剂——乙腈或碳酸丙烯酯中添加低熔点溶剂，使得超级电容器的电解液能够在低温下具有较好的离子导通性，从而使超级电容器能够在低温下工作。其不足之处在于，该低温电解液的耐高温性能和耐高电压性能较差，适用范围受大很大限制。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的超级电容器有机电解液不能同时兼具耐低温、高温和高电压性能，从而使得适用范围受到较大限制的问题，提供了一种同时兼具优异的耐低温、耐高温和耐高电压性能，适用范围广的宽温高电压型超级电容器有机电解液。
本发明还提供了一种宽温高电压型超级电容器有机电解液的制备方法，该制备方法工艺步骤简单，可操作性强，适合工业化生产。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为0.5~1.5mol/L，离子液体的浓度为0.01~0.05mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：0.1~2混合而成。本发明对超级电容器有机电解液的配方进行了优化改进，通过在有机电解液中添加低熔点溶剂和离子液体，在降低电解液凝固点的同时提高其耐高温性能和耐高电压性能，使用温度范围在-65~70℃之间，使用温度范围广，具有良好的耐低温性能和耐高温性能，且耐电压范围可达2.75V左右，耐高电压性能好。
作为优选，所述电解质盐为四乙基四氟硼酸铵、四甲基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N-甲基-N-乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、5-氮杂螺环[4,4]壬烷四氟硼酸铵中的一种或多种。
作为优选，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-甲基,丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
作为优选，所述低熔点溶剂为碳酸二乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、、亚硫酸二甲酯、亚硫酸二乙酯、甲酸异丁酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、戊酸丁酯中的一种或多种。
一种宽温高电压型超级电容器有机电解液的制备方法，其特征在于，具体步骤为：按上述配比称取电解质盐、离子液体、混合有机溶剂后，将电解质盐、离子液体溶于混合有机溶剂中，于真空条件下超声分散，即得宽温高电压型超级电容器有机电解液。本发明将各组分混合后在真空条件下超声分散，超声处理会产生一定的气泡，而在真空条件下进行超声分散可有效消除气泡，各组分的分散均匀性更好。
作为优选，所述电解质盐为四乙基四氟硼酸铵、四甲基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N-甲基-N-乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、5-氮杂螺环[4,4]壬烷四氟硼酸铵中的一种或多种。
作为优选，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-甲基,丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
作为优选，所述低熔点溶剂为碳酸二乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、、亚硫酸二甲酯、亚硫酸二乙酯、甲酸异丁酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、戊酸丁酯中的一种或多种。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明对超级电容器有机电解液的配方进行了优化改进，对有机电解液中添加的低熔点溶剂组分进行了筛选设计，并添加了离子液体，在降低电解液凝固点的同时提高其耐高温性能和耐高电压性能，使用温度范围在-65~70℃之间，使用温度范围广，兼具良好的耐低温性能、耐高温性能和耐高电压性能好，且耐电压范围可达2.75V左右；
（2）制备方法工艺步骤简单，各组分分散均匀性好，可操作性强，适合工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步的描述。
在本发明中，若非特指，所有百分比均为重量单位，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为0.5mol/L，离子液体的浓度为0.01mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：0.1混合而成，其中，电解质盐为四乙基四氟硼酸铵，离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，低熔点溶剂为碳酸二乙酯。
该宽温高电压型超级电容器有机电解液通过以下方法制得：按上述配比称取电解质盐、离子液体、混合有机溶剂后，将电解质盐、离子液体溶于混合有机溶剂中，于真空条件下超声分散，即得宽温高电压型超级电容器有机电解液。
以本实施例中的电解液制作的超级电容器可以实现-65℃低温下2.75V充放电；容量在-50℃时保持了常温25℃时的85%；到-55℃时容量保持率为76%，-60℃时容量保持率为61.8%；-65℃时容量保持率为44%；超级电容器可以实现在70℃充放电循环10000次，容量损失5%。
实施例2
一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为1.5mol/L，离子液体的浓度为0.05mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：2混合而成，其中电解质盐为四乙基四氟硼酸铵、四甲基四氟硼酸铵和三乙基甲基四氟硼酸铵按摩尔比1:1:3混合而成，离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐与1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐按摩尔比1:2混合而成，低熔点溶剂为碳酸二乙酯、亚硫酸二乙酯和甲酸异丁酯按体积比1:3:1混合而成。
该宽温高电压型超级电容器有机电解液通过以下方法制得：按上述配比称取电解质盐、离子液体、混合有机溶剂后，将电解质盐、离子液体溶于混合有机溶剂中，于真空条件下超声分散，即得宽温高电压型超级电容器有机电解液。
以本实施例中的电解液制作的超级电容器可以实现-65℃低温下2.75V充放电；容量在-50℃时保持了常温25℃时的86%；到-55℃时容量保持率为78%，-60℃时容量保持率为65%；-65℃时容量保持率为49%；超级电容器可以实现在70℃充放电循环10000次，容量损失5%。
实施例3
一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为1mol/L，离子液体的浓度为0.02mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：0.6混合而成，其中电解质盐为N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、N-甲基-N-乙基吡咯烷四氟硼酸铵与N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵按摩尔比3:1:1混合而成，离子液体为N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐，低熔点溶剂为丁酸乙酯和亚硫酸二甲酯按体积比1:1混合而成。
该宽温高电压型超级电容器有机电解液通过以下方法制得：按上述配比称取电解质盐、离子液体、混合有机溶剂后，将电解质盐、离子液体溶于混合有机溶剂中，于真空条件下超声分散，即得宽温高电压型超级电容器有机电解液。
以本实施例中的电解液制作的超级电容器可以实现-65℃低温下2.8V充放电；容量在-50℃时保持了常温25℃时的83%；到-55℃时容量保持率为75%，-60℃时容量保持率为60%；-65℃时容量保持率为43%；超级电容器可以实现在70℃充放电循环10000次，容量损失7%。
实施例4
一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为1.5mol/L，离子液体的浓度为0.02mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：1混合而成，其中电解质盐为三乙基甲基四氟硼酸铵、N,N-二乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N-甲基-N-乙基吡咯烷四氟硼酸铵和N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵按摩尔比1:2:2:1混合而成，离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-甲基,丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐和N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐按摩尔比1:3:1:3混合而成，低熔点溶剂为碳酸二乙酯和丙酸乙酯按体积比1:1混合而成。
该宽温高电压型超级电容器有机电解液通过以下方法制得：按上述配比称取电解质盐、离子液体、混合有机溶剂后，将电解质盐、离子液体溶于混合有机溶剂中，于真空条件下超声分散，即得宽温高电压型超级电容器有机电解液。
以本实施例中的电解液制作的超级电容器可以实现-70℃低温下2.75V充放电；容量在-50℃时保持了常温25℃时的87%；到-55℃时容量保持率为81%，-60℃时容量保持率为69%；-65℃时容量保持率为46%；-70℃时容量保持率为35%；超级电容器可以实现在70℃充放电循环10000次，容量损失8%。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (8)
1.一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其特征在于，其由电解质盐、离子液体、混合有机溶剂混合而成，有机电解液中电解质盐的浓度为0.5~1.5mol/L，离子液体的浓度为0.01~0.05mol/L，混合有机溶剂由乙腈和低熔点溶剂按体积比1：0.1~2混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其特征在于，所述电解质盐为四乙基四氟硼酸铵、四甲基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N-甲基-N-乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、5-氮杂螺环[4,4]壬烷四氟硼酸铵中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其特征在于，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-甲基,丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种宽温高电压型超级电容器有机电解液，其特征在于，所述低熔点溶剂为碳酸二乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、亚硫酸二甲酯、亚硫酸二乙酯、甲酸异丁酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、戊酸丁酯中的一种或多种。
5.一种如权利要求1所述的宽温高电压型超级电容器有机电解液的制备方法，其特征在于，具体步骤为：按上述配比称取电解质盐、离子液体、混合有机溶剂后，将电解质盐、离子液体溶于混合有机溶剂中，于真空条件下超声分散，即得宽温高电压型超级电容器有机电解液。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电解质盐为四乙基四氟硼酸铵、四甲基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N-甲基-N-乙基吡咯烷四氟硼酸铵、N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵、5-氮杂螺环[4,4]壬烷四氟硼酸铵中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-甲基,丙基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基,丙基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述低熔点溶剂为碳酸二乙酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、亚硫酸二甲酯、亚硫酸二乙酯、甲酸异丁酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、戊酸丁酯中的一种或多种。
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