CN107221455B - 一种掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液的制备方法，取离子液体于烧杯中，用石墨棒做电极，在氮气保护的条件下通10V～20V的直流电源电解，得到碳基离子液体复合物，取上层乳浊液；将碳基离子液体复合物的乳浊液与有机电解液进行混合，然后在功率为200W～600W的超声发生器中20℃～50℃下处理5小时～10小时，得到掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液。优点是：制备方法简单，与传统电解液相比，具有导电率高、功率密度高和循环寿命长的特点，适于商业化应用。
Description
技术领域
本发明属于电解液制备技术领域，特别涉及一种掺杂碳基离子液体复合物的超级电容器用高性能电解液的制备方法。
背景技术
超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、工作温度宽、循环寿命长的优点，在电子、通信、航天、交通、军事等领域有广泛应用。电解液作为超级电容器的主要组成部分，具有提供荷电离子和离子迁移传导媒介的重要作用。电解液的理化性质，直接决定影响电容器产品的性能。
常见的超级电容器电解液包括水系电解液、有机电解液和离子液体电解液。其中水系电解液导电率最高，但其分解电压低于1V，限制了器件的高能量密度；有机电解液可以提供3V-4V的工作电压，使器件具有较高的能量密度，但其电导率低、化学性质不稳定，无法获得较高的功率密度和较长的循环寿命；离子液体电解液可提供3V-6V的宽电化学窗口，性质稳定，但其黏度大，价格高，不利于大规模商业化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出了一种掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液的制备方法，制备方法简单，与传统电解液相比，具有导电率高、功率密度高和循环寿命长的特点，适于商业化应用。
本发明的技术解决方案是：
一种掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液的制备方法，其具体步骤是：
步骤一：取离子液体8mL～15mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在3cm～5cm，在氮气保护的条件下通10V～20V的直流电源，电解5小时～12小时，得到碳基离子液体复合物，取上层乳浊液，测得浓度为0.15mg/mL～0.60mg/mL；
步骤二：将碳基离子液体复合物的乳浊液与有机电解液按体积比2:8～8:2的比例进行混合，然后在功率为200W～600W的超声发生器中20℃～50℃下处理5小时～10小时，得到掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液。
所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐。
所述有机电解液为四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯有机电解液，四氟硼酸螺环季铵盐/碳酸丙烯酯有机电解液，双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯有机电解液，四氟硼酸四乙基铵/乙腈有机电解液，四氟硼酸螺环季铵盐/乙腈有机电解液,双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈有机电解液中的一种。
本发明的有益效果：
制备方法简单，掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液电导率为传统电解液的1.3倍-2.2倍；使以活性炭为电极材料的超级电容器比电容增加60％-100％，能量密度提高30％-60％，功率密度增加50％-80％，循环寿命提高50％-100％。
在填加少量碳基离子液体复合物后，电解液的电导率大幅度提高，电容器的比电容、能量密度、功率密度与循环寿命大幅度提高；选用的原料绿色环保,在制备成本增长不太大的情况下，使电容器的使用寿命大幅度提高，相当于节省了成本。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
取1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体10mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在3.5cm，在氮气保护的条件下通10V的直流电源，电解10小时得到石墨烯/1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.21mg/mL；
将石墨烯/1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐复合物的乳浊液与四氟硼酸螺环季铵盐/碳酸丙烯酯按体积比2:8的比例进行混合，然后在功率为300W的超声发生器中25℃下处理5小时得到新型电解质,其电导率为26.72mS/cm，为相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸螺环季铵盐/碳酸丙烯酯电解液的1.9倍。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为198.6F/g，能量密度为112.5W h/kg，功率密度为9.97KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅1.2％；与相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸螺环季铵盐/碳酸丙烯酯电解液的电容器相比，在5V下工作时电容器的比电容提高80％，能量密度提高60％，功率密度提高80％，循环寿命提高100％。
实施例2
取1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体12mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在4cm，在氮气保护的条件下通12V的直流电源，电解12小时得到石墨烯/1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.35mg/mL；
将石墨烯/1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐复合物的乳浊液与四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯按体积比3:7的比例进行混合，然后在功率为400W的超声发生器中30℃下处理7小时得到新型电解质，其电导率为22.72mS/cm，为相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯电解液的1.8倍。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为178.5F/g，能量密度为98.6W h/kg，功率密度为8.54KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅2.0％；与相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯电解液的电容器相比，在4V下工作时电容器的比电容提高90％，能量密度提高50％，功率密度提高60％，循环寿命提高90％。
实施例3
取1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体8mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在3cm，在氮气保护的条件下通15V的直流电源，电解8小时得到石墨烯/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.15mg/mL；
将石墨烯/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复合物的乳浊液与双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯按体积比4:6的比例进行混合，然后在功率为400W的超声发生器中20℃下处理6小时得到新型电解质，其电导率为27.81mS/cm，为相同条件下未掺杂复合物的纯双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯电解液的2.0倍。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为186.5F/g，能量密度为102.1W h/kg，功率密度为8.70KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅3.5％；与相同条件下未掺杂复合物的纯双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯电解液的电容器相比，在6V下工作时电容器的比电容提高100％，能量密度提高60％，功率密度提高70％，循环寿命提高80％。
实施例4
取1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体12mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在5cm，在氮气保护的条件下通20V的直流电源，电解6小时得到纳米碳微粒/1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.43mg/mL；
将纳米碳微粒/1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐复合物的乳浊液与四氟硼酸四乙基铵/乙腈按体积比5:5的比例进行混合，然后在功率为500W的超声发生器中40℃下处理8小时得到新型电解质，其电导率为58.71mS/cm，为相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸四乙基铵/乙腈电解液的1.5倍。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为226.8F/g，能量密度为72.5W h/kg,功率密度为13.51KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅10.2％；与相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸四乙基铵/乙腈电解液的电容器相比，在4V下工作时电容器的比电容提高70％，能量密度提高40％，功率密度提高50％，循环寿命提高70％。
实施例5
取1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体15mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在5cm，在氮气保护的条件下通20V的直流电源，电解7小时得到纳米碳微粒/1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.54mg/mL；
将纳米碳微粒/1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐复合物的乳浊液与四氟硼酸螺环季铵盐/乙腈按体积比6:4的比例进行混合，然后在功率为600W的超声发生器中50℃下处理8小时得到新型电解质，其电导率为72.48mS/cm，为相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸螺环季铵盐/乙腈电解液的1.8倍。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为244.7F/g，能量密度为88.7W h/kg，功率密度为14.84KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅8.6％；与相同条件下未掺杂复合物的纯四氟硼酸螺环季铵盐/乙腈电解液的电容器相比，在4V下工作时电容器的比电容提高65％，能量密度提高30％，功率密度提高65％，循环寿命提高60％。
实施例6
取1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体8mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在3cm，在氮气保护的条件下通20V的直流电源，电解5小时得到纳米碳微粒/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.60mg/mL；
将纳米碳微粒/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复合物的乳浊液与双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈按体积比7:3的比例进行混合，然后在功率为600W的超声发生器中45℃下处理9小时得到新型电解质，其电导率为68.51mS/cm，为相同条件下未掺杂复合物的纯双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈电解液的1.3倍。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为238.5F/g，能量密度为78.9W h/kg,功率密度为14.14KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅9.5％；与相同条件下未掺杂复合物的纯双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈电解液的电容器相比，在5V下工作时电容器的比电容提高60％，能量密度提高35％，功率密度提高60％，循环寿命提高50％。
实施例7
取1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体10mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在4cm，在氮气保护的条件下通12V的直流电源，电解8小时得到石墨烯/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复合物，取上层乳浊液测得浓度为0.20mg/mL；
将石墨烯/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐复合物的乳浊液与四氟硼酸螺环季铵盐/碳酸丙烯酯按体积比8:2的比例进行混合，然后在功率为500W的超声发生器中35℃下处理5小时得到新型电解质，其电导率为25.42mS/cm。
使用活性碳电极材料组装成电容器后，电容器比电容为187.2F/g，能量密度为104.3W h/kg，功率密度为7.29KW/Kg，5000次循环冲放电后容量衰减仅1.4％。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液的制备方法，其特征是：
具体步骤如下：
步骤一：取离子液体8mL～15mL于烧杯中，用石墨棒做电极，两电极之间距离在3cm～5cm，在氮气保护的条件下通10V～20V的直流电源，电解5小时～12小时，得到碳基离子液体复合物，取上层乳浊液，上层乳浊液浓度为0.15mg/mL～0.60mg/mL；
所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、 1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐；
步骤二：将碳基离子液体复合物的乳浊液与有机电解液按体积比2:8～8:2的比例进行混合，然后在功率为200W～600W的超声发生器中20℃～50℃下处理5小时～10小时，得到掺杂碳基离子液体复合物的高性能电解液；
所述有机电解液为四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯有机电解液，四氟硼酸螺环季铵盐/碳酸丙烯酯有机电解液，双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯有机电解液，四氟硼酸四乙基铵/乙腈有机电解液，四氟硼酸螺环季铵盐/乙腈有机电解液,双三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈有机电解液中的一种。
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