CN107481870A - 一种超级电容器电解液及其制备的超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容器电解液，包括电解质盐和非水溶剂，电解质盐至少含有一种离子液体，非水溶剂至少含有一种氟化醚，氟化醚的粘度低于离子液体，采用氟化醚作离子液体的溶剂，可以改善电解液的离子传输行为，提高超级电容器的功率特性，氟化醚作为一种阻燃成分可提高电解液的耐火性和安全性。此外，氟化醚的弱极性和低溶剂化能力使得溶液离子大多以裸露离子而非溶剂化形式存在，因此电极材料中更多与裸离子尺寸相近的孔隙结构得以利用，同时在电极/电解液界面建立的双电层层间距更小，导致双电层电容增加。本发明还提供了一种使用上述电解液的超级电容器，其同时具有高的能量密度、高的功率密度和良好的安全性能。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种超级电容器电解液及其制备的超级电容器。
背景技术
超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、使用温度范围宽、绿色环保等突出优点，但是其面临的最大挑战在于能量密度偏低。由于超级电容器的能量密度与电压成平方关系，开发具有宽稳定电位窗口的电解液体系具有显著的应用价值。
离子液体通常具有良好的电化学稳定性，在电位窗口方面优于传统有机电解液(如Et4NBF4/AN或PC)，适合应用于超级电容器中提升能量密度。但是单独使用离子液体存在粘度高、电导低、价格昂贵等缺点。为此，普遍的解决办法是将离子液体与一些腈类或酯类有机溶剂混合使用。例如文献(Electrochem Commun,2011,13,814)将PYR14TFSI加入PC中降低了电解液的粘度，提高了电容器的比能量和比功率。CN201310430367发明的电解液由离子液体、腈类溶剂和高压稳定剂组成，可以在3.0V电压下确保超级电容器的稳定循环，并表现了较优的功率性质。CN201510658956公开的电解液包括离子液体和有机溶剂，其中离子液体为硫氰酸根类、氰酸根类和碳酸甲酯类离子液体，有机溶剂主要为酯类溶剂，该电解液具有良好的高温性能。
离子液体与常规腈类或酯类有机溶剂混合能够改善电解液的离子传输特性、减少离子液体用量、降低电解液成本，但是这些溶剂大多易燃，不利于超级电容器的安全性能。而且这些溶剂通常具有较强的溶剂化能力，对阴、阳离子形成外层包覆，增大离子半径、影响离子在微孔结构中的渗透，导致超级电容器的能量密度发挥不够理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种组成更为合理的超级电容器电解液体系及其制备的超级电容器。
本发明采用以下技术方案：
一种超级电容器电解液，包括电解质盐、非水溶剂，电解质盐至少含有一种离子液体，非水溶剂至少含有一种氟化醚，氟化醚的粘度低于所述离子液体的粘度，所述非水溶剂在电解液中的体积分数为10～80％，由于氟化醚对于大多数离子液体具有良好的溶解性和相容性，因此可以与离子液体搭配使用，形成稳定、均相的溶液。
进一步的，氟化醚由以下分子结构式表示：
其中，氟化醚在氟化醚与离子液体的混合液中的体积分数为10～80％，R1和R2均表示烃基、氟化烃基、芳香基或氟化芳香基中的任一种，且R1和R2中至少一个为氟化烃基或氟化芳香基。
进一步的，氟化醚至少包括1,1,2,2-四氟乙基乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基丙基醚、1,1,2,2,3,3-六氟丙基甲基醚、六氟异丙基甲醚、九氟丁基甲基醚、氟甲基-1,1,1,3,3,3-六氟异丙基醚、双(1,1,2,2-四氟乙基)醚、双(2,2,2三氟乙基)醚、2,2,2-三氟乙醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,3-(1,1,2,2四氟乙氧基)丙烷、3-(1,1,2,2-四氟乙氧基)-(1,1,2,2-四氟)-丙烷、二氟甲基-2,2,2-三氟乙基醚、1H,1H,5H-八氟戊基-1,1,2,2-四氟乙基醚、1,1,3,3,3-五氟-2-三氟甲基丙基甲基醚、全氟环醚、2,3,5,6-四氟苯甲醚、五氟苯甲醚、1,1,2,2-四氟乙基苯基醚、4-氟-2-(三氟甲基)苯甲醚、三氟甲基三氟乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚中的一种。
进一步的，离子液体的阳离子至少包括咪唑、季铵盐、吡咯、哌啶、吡啶、吡唑、胍盐、季膦或噻唑中的一种。
进一步的，离子液体的阳离子含有醚基官能团，醚基官能团的存在，有利于进一步降低离子液体的粘度。
进一步的，离子液体的阴离子至少包括NO3 -、ODFB-、BOB-、PF6 -、TFSI-、BF4 -、ClO4 -、FSI-、BETI-、CF3SO3 -、CF3COO-、Tf-、OTf-、BC2O4F2 -、N(FSO2)2 -、N(CF3SO2)2 -、卤素离子、FAP-、FAB-、TFSM-中的一种。
进一步的，电解质盐至少还包含铵盐、锂盐、钠盐中的一种。
进一步的，非水溶剂至少还包含腈、酯、酰胺、砜、呋喃或非氟化的醚中的一种。
进一步的，所述离子液体在所述电解质盐中的质量分数为50～100％，所述氟化醚在所述非水溶剂中的质量分数为50～100％。
本发明还公开了一种超级电容器，包括隔膜、电解液、外壳和两个电极，所述两个电极中间夹入隔膜，经卷绕或层叠形成电芯，电芯被密封于外壳内部空间，电解液浸润在整个电芯中，所述电解液为上述的电解液，所述两个电极的组成结构可以相同或不同。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
与离子液体混合常规腈类或酯类等溶剂的体系相比：本发明引入的氟化醚具有与腈类或酯类等溶剂相近的粘度，能够保障超级电容器良好的功率特性。同时，氟化醚携带的氟取代基团是一种阻燃组分，可以抑制在超级电容器内部产生的部分高温分解反应，提高电解液的耐火性，进而提高超级电容器的安全性能。而且，氟化醚极弱的极性(施主能力很低)使得其无法对离子液体中的阴、阳离子进行溶剂化，溶液离子以裸露形式(而不是溶剂分子包覆在周围的溶剂化形式)存在，因此电极材料中更多与裸离子尺寸相近的孔隙结构得以利用，同时在电极/电解液界面建立的双电层层间距更小，两方面因素均有利于双电层电容的增加。而与单独使用离子液体时相比：本发明最大的进一步之处在于通过加入氟化醚降低了电解液粘度，增强了电解液中离子的快速输送能力，因而提高了超级电容器的功率密度，同时还一定程度上增加了比能量。需要说明的是，氟化醚的氧化电位一般超过4.5V，与离子液体搭配使用可以维持较高的工作电压，因此仍然适合构建耐高压超级电容器。
本发明还提供了一种超级电容器，包含正极、负极、隔膜、电解液与外壳，正极与负极的组成结构可以相同或不同(正负极不同时为非对称型超级电容器)，电解液采用的是本发明的超级电容器电解液，因此兼具高的能量密度、高的功率密度和良好的安全性能。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
将PYR14TFSI与TTE(1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚)按1:1体积比充分混合后得到电解液1#。
将活性炭、纳米碳黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶按8：1：0.5：0.5的质量比在去离子水中混合后，均匀涂覆在铝箔上，真空干燥后得到活性炭电极。
在充满氩气的手套箱中，将两片活性炭电极中间夹一层隔膜，滴加电解液1#后组装成扣式超级电容器。利用充放电测试仪测试超级电容器性能，电流密度为0.5A/g。
相比PYR14TFSI与PC的混合体系(1:1体积比)，使用电解液1#的超级电容器可以将工作电压维持在3.5V，能量密度提高了18％，安全性能明显改善，而功率密度二者基本持平。
实施例2
将DEMETFSI与TFTFE(1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚)按体积比1:4充分混合后得到电解液2#。
活性炭电极制备、超级电容器组装与测试同实施例1。
相比DEMETFSI与PC的混合体系(体积比1:1)，使用电解液2#的超级电容器能够将工作电压维持在3.5V，能量密度提高了6％，功率密度提高了30％，安全性能明显改善。
实施例3
将EMIBF4与TFTFE(1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚)按5:1体积比充分混合后得到电解液3#。
活性炭电极制备、超级电容器组装与测试同实施例1。
相比单独使用EMIBF4的电解液体系，使用电解液3#的超级电容器能够将工作电压维持在3.5V，功率密度提高了将近14％，能量密度提高了7％，安全性能保持良好。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超级电容器电解液，其特征在于，包括电解质盐与非水溶剂，所述电解质盐至少含有一种离子液体，所述非水溶剂至少含有一种氟化醚，所述氟化醚的粘度低于所述离子液体的粘度，所述非水溶剂在电解液中的体积分数为10～80％。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述氟化醚由以下分子结构式表示：
其中，R1和R2均表示烃基、氟化烃基、芳香基或氟化芳香基中的任一种，且R1和R2中至少一个为氟化烃基或氟化芳香基。
3.根据权利要求1或2所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述氟化醚包括1,1,2,2-四氟乙基乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基丙基醚、1,1,2,2,3,3-六氟丙基甲基醚、六氟异丙基甲醚、九氟丁基甲基醚、氟甲基-1,1,1,3,3,3-六氟异丙基醚、双(1,1,2,2-四氟乙基)醚、双(2,2,2三氟乙基)醚、2,2,2-三氟乙醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,3-(1,1,2,2四氟乙氧基)丙烷、3-(1,1,2,2-四氟乙氧基)-(1,1,2,2-四氟)-丙烷、二氟甲基-2,2,2-三氟乙基醚、1H,1H,5H-八氟戊基-1,1,2,2-四氟乙基醚、1,1,3,3,3-五氟-2-三氟甲基丙基甲基醚、全氟环醚、2,3,5,6-四氟苯甲醚、五氟苯甲醚、1,1,2,2-四氟乙基苯基醚、4-氟-2-(三氟甲基)苯甲醚、三氟甲基三氟乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述离子液体的阳离子包括咪唑、季铵盐、吡咯、哌啶、吡啶、吡唑、胍盐、季膦或噻唑中的一种或多种。
5.根据权利要求1或4所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述离子液体的阳离子含有醚基官能团。
6.根据权利要求1所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述离子液体的阴离子至少包括NO3 -、ODFB-、BOB-、PF6 -、TFSI-、BF4 -、ClO4 -、FSI-、BETI-、CF3SO3 -、CF3COO-、Tf-、OTf-、BC2O4F2 -、N(FSO2)2 -、N(CF3SO2)2 -、卤素离子、FAP-、FAB-、TFSM-中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述电解质盐还包含铵盐、锂盐或钠盐中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述非水溶剂还包含腈、酯、酰胺、砜、呋喃或非氟化的醚中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的一种超级电容器电解液，其特征在于，所述离子液体在所述电解质盐中的质量分数为50～100％，所述氟化醚在所述非水溶剂中的质量分数为50～100％。
10.一种超级电容器，其特征在于，包括隔膜、电解液、外壳和两个电极，所述两个电极中间夹入隔膜，经卷绕或层叠形成电芯，电芯被密封于外壳内部空间，电解液浸润在整个电芯中，所述电解液为权利要求1至9中任一项所述的电解液，所述两个电极的组成结构可以相同或不同。
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