CN105529193A - 一种高工作电压的超级电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高工作电压的超级电容器及其制备方法，所述超级电容器包括正极、负极和电解液，其特征在于，电解液包括季铵盐离子液体，所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。本发明的方法制备的超级电容器不仅突破了传统超级电容器的界限，而且工作电压高。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容器领域，更具体地说，涉及一种高工作电压的超级电容器及其制备方法。
背景技术
全球变暖和化石燃料的日益枯竭迫使人们大力发展可持续和可再生能源,目前,解决日趋短缺的能源问题,仍是人类面临的巨大挑战之一。因此,学者们纷纷投身新能源领域,在寻找清洁、高效和可再生能源的同时,也积极关注能量存储。太阳能和风能作为最具有发展前景的新能源引起了学者们极大的兴趣,并得到了快速发展,然而这些能源并不稳定,如太阳能在夜晚不能工作,风能的提供也存在不确定性,因此需要储能系统对能量进行存储后再加以利用。近几年,超级电容器作为储能器件扮演越来越重要的角色。
超级电容器(Supercapacitor),通常也被称为法拉第准电容器、电化学电容器或双电层电容器。超级电容器与传统电容器的储能机理不同,它是通过电极和电解液之间的界面和电极表面或内部可逆的氧化还原反应存储电荷,其性能介于传统电容器和二次电池之间,具有高于蓄电池的功率密度和传统静电电容器的能量密度,其容量可达到几百法拉甚至上千法拉。此外,超级电容器具有工作温度范围宽、使用寿命长和对环境无污染等特点,是一种既高效实用又方便环保的能量存储装置。与蓄电池相比,超级电容器最大的优点是充放电速率快。超级电容器可釆用几安培甚至几十安培的大电流充电和放电,能够在数十秒到几分钟的时间内完成充电和放电过程；而普通蓄电池充电则需要数小时来完成,如果充电和放电电流过大还会造成蓄电池永久性损坏。通常,超级电容器按照储能机理的不同可以分为双电层电容器(EDLC)和赝电容器(Pesudocapaeitor)两大类。而基于使用的电解质类型的不同,超级电容器可分为水系电解质电容器、固体电解质电容器和有机电解质电容器三大类；由电极装置的结构及其电极上所发生反应的不同,可分为对称和非对称电容器两大类；根据制造工艺和外形结构的不同可归为绕卷型、纽扣型及大型电容器三大类。
美国《探索》杂志曾将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一,并将超级电容器的出现视为能量储存领域中一项革命性的突破。在一些需要高功率和高效率解决方案的设计中,工程师己开始釆用超级电容器来取代传统的电池。我国对超级电容器的研究起始于20世纪80年代初。目前,国内生产厂家大多以生产液体双电层电容器为主,如锦州凯美科技有限公司、长沙巨力电子科技有限公司、石家庄高达新能源科技有限公司、集盛星泰新能源科技有限公司,天津力神电池股份有限公司、锦州富辰超级电容器有限责任公司和锦州锦容超级电容器有限责任公司等多家公司。这些公司将研究重点主要集中在大功率应用产品的开发,据业内人士称,国产超级电容器在我国市场的占有份额已达到60％-70％。我国一些高等学校和科研院所,如香港科技大学、北京理工大学、苏州大学、南京理工大学、同济大学、上海交通大学和大连理工大学等都开展了对超级电容器电极材料、电解液和封装工艺的研究工作。
中国专利CN102456479A公开了一种超级电容器电极材料的制备方法，首先制备浓度为0.02-0.20mol/L高锰酸根水溶液，并搅拌加入聚乙二醇，得到混合溶液其中所述聚乙二醇与高锰酸根水溶液的体积比为1∶8-1∶40；搅拌上述混合溶液，过滤，得到沉淀；清洗沉淀，烘干，得到超级电容器电极材料。本发明的超级电容器电极材料的制备方法具有工艺简单、流程短、设备依赖性低、适于大规模生产的特点，并且制备的超级电容器电极材料具有优良的性能。
中国专利CN103258656A公开了一种基于泡沫镍的非对称超级电容器电极的制备方法，包括：将泡沫镍进行清洗，然后浸泡到氧化石墨烯水溶液中获得沉积有氧化石墨烯的泡沫镍；以沉积有氧化石墨烯的泡沫镍为前驱体材料，分别采用三电极法来制作非对称超级电容器的正负极，且该正负极分别由石墨烯/碳纳米管/泡沫镍和石墨烯/二氧化锰/泡沫镍复合材料构成。本发明还公开了其他一些基于类似原理的超级电容器电极的制备方法及其相应产品。通过本发明，能够充分发挥复合材料各自的高比电容特征，提高超级电容器的能量密度；此外，可以避免各种组剂的使用，相应以便于操控、低成本、低能耗的方式执行大批量工业化生产。
现有超级电容器的电解液的溶剂为水或有机物，溶质为有机电解质或无机电解质，但是却很少有单一组分的电解液。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种高工作电压的超级电容器及其制备方法，本发明的方法制备的超级电容器不仅突破了传统超级电容器的界限，而且工作电压高。
本发明所采用的技术方案为：
一种高工作电压的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括正极、负极和电解液，其特征在于，电解液包括季铵盐离子液体，所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。
优选地，所述a为1-2，所述R为C4-C5的正构烷基，X为氯。
优选地，正极为选自石墨电极、银电极和铜电极中的至少一种。
优选地，负极为选自石墨电极、银电极和铜电极中的至少一种。
优选地，所述电解液还包括硫酸和硫酸钠，所述季铵盐离子液体与硫酸和硫酸钠的质量比为1：(0.1-0.5)：(0.03-0.1)。
优选地，所述季铵盐离子液体与硫酸和硫酸钠的质量比为1：(0.2-0.4)：(0.06-0.08)。
优选地，所述超级电容器的工作电压为1.0-4.2伏，比容量为200-300F/g，循环次数为1000-10000次。
优选地，所述超级电容器的工作电压为1.2-4.0伏，比容量为230-280F/g，循环次数为5000-8000次。
一种高工作电压的超级电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括：将正极、负极和季铵盐离子液体组成超级电容器；其中，所述所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。
优选地，所述a为1-2，所述R为C4-C5的正构烷基，X为氯。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用季铵盐离子液体作为超级电容器的电解液，与传统的电解液相比，只有一种组分，不仅新颖，而且提高了该超级电容器的工作电压。
2、本发明的季铵盐离子液体的可选择种类多，既可以作为电解质使用，也可以作为溶剂使用。
3、为了进一步增加比容量，本发明的超级电容器的电解液中还可以包括硫酸和硫酸钠。
4、本发明的超级电容器的比容量可以达到200-300F/g，循环次数可以达到5000以上。
5、本发明的超级电容器制备方法简单，易于工业化生产。
具体实施方式
为使本方面的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本方面的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本方面一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本方面中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本方面所保护的范围。
本发明提供一种高工作电压的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括正极、负极和电解液，其特征在于，电解液包括季铵盐离子液体，所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。
离子液体(或称离子性液体)是指全部由离子组成的液体，如高温下的KCI,KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐(室温离子液体常伴有氢键的存在，定义为室温熔融盐有点勉强)、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。
根据本发明，所述a优选为1-2，所述R优选为C4-C5的正构烷基，X优选为氯。
根据本发明，超级电容器的电极可以采用常规电极，也可以使用其它电极，例如，正极可以为选自石墨电极、银电极和铜电极中的至少一种，负极也可以为选自石墨电极、银电极和铜电极中的至少一种。
根据本发明，为了增加超级电容器的比容量，所述电解液还可以包括硫酸和硫酸钠，所述季铵盐离子液体与硫酸和硫酸钠的质量比可以为1：(0.1-0.5)：(0.03-0.1)，所述季铵盐离子液体与硫酸和硫酸钠的质量比优选为1：(0.2-0.4)：(0.06-0.08)。
根据本发明，所述超级电容器的工作电压可以为1.0-4.2伏，优选为1.2-4.0伏，比容量可以为200-300F/g，优选为230-280F/g，循环次数可以为1000-10000次，优选为5000-8000次。
本发明还提供一种高工作电压的超级电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括：将正极、负极和季铵盐离子液体组成超级电容器；其中，所述所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。优选地，所述a为1-2，所述R为C4-C5的正构烷基，X为氯。
下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
本发明实施例超级电容器的比容量和循环次数采用QC/T741-2014车用超级电容器的标准方法进行测定，工作电压测定的是短路电压。
实施例1
将两个电极放入超级电容器的电解液槽的两侧，中间放入电解液，然后用封装机将电解液槽封装，露出电极的一端，得到超级电容器1；其中，电解液为[NRH3]+Cl-，R为正丙基，电极为石墨电极。
将超级电容器1进行工作电压、比电容和循环次数的测定，得到工作电压为1.3-4.1V，比电容为250F/g，循环次数为5000次。
实施例2
将两个电极放入超级电容器的电解液槽的两侧，中间放入电解液，然后用封装机将电解液槽封装，露出电极的一端，得到超级电容器2；其中，电解液为[NR2H2]+Cl-、硫酸和硫酸钠，三者比例为1:0.3:0.08，R为正戊基，电极为石墨电极。
将超级电容器2进行工作电压、比电容和循环次数的测定，得到工作电压为1.1-3.8V，比电容为290F/g，循环次数为7000次。
实施例3
将两个电极放入超级电容器的电解液槽的两侧，中间放入电解液，然后用封装机将电解液槽封装，露出电极的一端，得到超级电容器3；其中，电解液为[NR3H]+Cl-R为正庚基，电极为银电极。
将超级电容器3进行工作电压、比电容和循环次数的测定，得到工作电压为1.0-4.2V，比电容为300F/g，循环次数为10000次。
从实施例可知，本发明采用季铵盐离子液体作为电解质的超级电容器的工作电压高，比容量可以达到200-300F/g，循环次数可以达到5000以上。
Claims (10)
1.一种高工作电压的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器包括正极、负极和电解液，其特征在于，电解液包括季铵盐离子液体，所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。
2.根据权利要求1的超级电容器，其中，所述a为1-2，所述R为C4-C5的正构烷基，X为氯。
3.根据权利要求1的超级电容器，其特征在于，正极为选自石墨电极、银电极和铜电极中的至少一种。
4.根据权利要求1的超级电容器，其特征在于，负极为选自石墨电极、银电极和铜电极中的至少一种。
5.根据权利要求1的超级电容器，其特征在于，所述电解液还包括硫酸和硫酸钠，所述季铵盐离子液体与硫酸和硫酸钠的质量比为1：(0.1-0.5)：(0.03-0.1)。
6.根据权利要求5的超级电容器，其特征在于，所述季铵盐离子液体与硫酸和硫酸钠的质量比为1：(0.2-0.4)：(0.06-0.08)。
7.根据权利要求1的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器的工作电压为1.0-4.2伏，比容量为200-300F/g，循环次数为1000-10000次。
8.根据权利要求7的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器的工作电压为1.2-4.0伏，比容量为230-280F/g，循环次数为5000-8000次。
9.一种高工作电压的超级电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括：将正极、负极和季铵盐离子液体组成超级电容器；其中，所述所述季铵盐离子液体的通式为[NRaH4-a]+X-，其中a为1-3，R为C3-C7的烷基，X为卤素。
10.根据权利要求9的制备方法，其特征在于，所述a为1-2，所述R为C4-C5的正构烷基，X为氯。
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| CN103113242A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-05-22 | 中国科学院广州能源研究所 | 功能化氯化胆碱离子液体、其制备方法及其在电化学储能器件中的应用 |
| CN104769692A (zh) * | 2012-10-08 | 2015-07-08 | 麦克斯威科技公司 | 用于三伏超级电容器的电解质 |
-
2016
- 2016-01-29 CN CN201610065064.9A patent/CN105529193A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104769692A (zh) * | 2012-10-08 | 2015-07-08 | 麦克斯威科技公司 | 用于三伏超级电容器的电解质 |
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