CN110310842A - 高电压电容的电解液及其制备方法和电容器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的高电压电容的电解液采用酯类化合物与至少一离子液体混合，提高工作电压的同时有效降低粘度和熔点，而且离子液体可任选一种使用，选择范围变大，选择难度降低，酯类化合物引入体系相比于纯离子液体其材料成本可降低10％‑70％；采用溶剂除水的方法，能耗低，电容器件的工作稳定性好，除水效果好，节省环境保障成本10％‑30％，而且可允许含水量较高的离子液体粗品或酯类化合物粗品，节省纯化时间，降低制备成本。本发明的电解液超低温(‑80℃)下可以高功率与高能量输出，拓展电容器件在极度寒冷条件下的使用范围。

Description

高电压电容的电解液及其制备方法和电容器件
技术领域
本发明涉及超级电容器技术领域，特别涉及用于高电压电容的电解液及其制备方法、应用该电解液的电容器件。
背景技术
在低温下，提高电容器的工作电压，电容器的内阻不会上升，可提高电容器的使用效率，因此低温性能优异、工作电压高的超级电容器体系是当下的研究热点。据报道理论上离子液体的工作电压可以突破4V-4.5V(目前商用的一般低于2.7V)，是电容器体系提升工作电压的理想材料，但离子液体粘度大，离子电导率低，熔点高，导致其几乎不能在0℃以下的实际工况下使用。
现有技术将碳纳米材料加入离子液体或者将不同离子液体混合能够有效单方面改善电导能力或熔点等性能，但这些方法无法提高电导性能的同时改善低温性能，而且离子液体的种类繁多，选择难度大；另一方面离子液体中的水(10ppm左右及以上)在2.5V以上即会分解破坏电容器的稳定性，上述改进对于降低离子液体中的水含量以及大幅度降低离子液体的粘度等作用不大，应用范围有限。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种改进的高电压电容的电解液，其水含量低、电导率高，能够在低温下工作；该电解液的制备工艺简单、成本低、商业化程度高；得到的电容器件在低温下工作电压高、电性能好，可拓展应用于极度寒冷条件下，如地球的极地、太空等。
本发明提供的技术方案为：一种高电压电容的电解液，主要由离子液体与酯类化合物组成的混合物经除水剂脱水后得到，其中离子液体的质量百分比为5％至95％，所述电解液的工作电压达3V-4.2V，应用温度范围为-80℃至80℃。
进一步地，所述离子液体包括四氟硼酸四乙基铵、四氟硼酸四甲基铵、N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐、二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐以及1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
进一步地，所述酯类化合物的分子量为60-120，25℃下粘度为0.5mPa.s-3.0mPa.s。低粘度酯类化合物与高粘度离子液体进行混合，可以有效降低其粘度。
进一步地，所述酯类化合物包括丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯中的一种或多种。
进一步地，所述除水剂包括苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮中的一种或多种。通常除水采用加热至水汽蒸发，其温度高，易导致离子液体或酯类化合物分解而失效，为使含水量降至合理范围，需设置其在气氛保护下进行，成本高。
本发明还提供上述的高电压电容的电解液的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量百分比准备离子液体粗品、酯类化合物粗品，进行混合；
S2：将除水剂加入步骤S1得到的混合物，搅拌均匀后将携带水的除水剂蒸发排出，直至除水剂的质量浓度小于10ppm时得到电解液；
S3：密封存储。
进一步地，所述除水剂与步骤S1中的混合物的质量比为1-10。
进一步地，所述离子液体粗品与所述酯类化合物粗品的含水量为10ppm-2000ppm，所述离子液体粗品的质量百分比为5％-95％。
进一步地，步骤S1中的混合为机械混合，混合温度为20℃-60℃，混合时间1min-60min。
进一步地，步骤S2中搅拌时间为1min-60min；蒸发条件：温度40℃-60℃，压强0.01kPa-150kPa。
进一步地，所述电解液在惰性气体保护下冷却至常温，在与水和氧隔绝的环境下密封保存，所述惰性气体包括氮气、氩气中的一种或任意比组合。
本发明还涉及一种电容器件，包括上述的高电压电容的电解液和电极材料，所述电解液应用范围为-80℃至80℃，工作电压为3V至4.2V。用于电容器件中时，低温区可在-80℃至-40℃，高温区可达65℃至80℃。当温度为-80℃至-40℃时，所述电极材料的电容性能相当于25℃下其性能的60％-80％。
进一步地，所述电极材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维，洋葱碳以及三维多孔炭中的一种或多种，其氧含量均低于2％，金属杂质含量小于10ppm。
与现有技术相比，本发明提供的高电压电容的电解液采用酯类化合物与至少一离子液体混合，提高工作电压的同时有效降低粘度和熔点，而且离子液体可任选一种使用，选择范围变大，选择难度降低，酯类化合物引入体系相比于纯离子液体其材料成本可降低10％-70％；采用溶剂除水的方法，能耗低，电容器件的工作稳定性好，有效去除水的同时不使离子液体或酯类化合物分解，节省环境保障成本10％-30％，而且可允许含水量较高的离子液体粗品或酯类化合物粗品，节省纯化时间，降低5％-30％的制备成本。本发明的电解液超低温(-80℃)下可以高功率与高能量输出，拓展电容器件在极度寒冷条件下的使用范围。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明高电压电容的电解液的制备流程图。
附图标记说明:
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。
请参阅图1，高电压电容的电解液的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量百分比准备含水量10ppm-2000ppm的离子液体粗品、酯类化合物粗品，进行混合；其中：
所述离子液体粗品的质量百分比为5％-95％；
混合为机械混合，混合温度为20℃-60℃，混合时间1min-60min。
S2：将除水剂加入步骤S1得到的混合物，搅拌均匀后将携带水的除水剂蒸发排出，直至除水剂的质量浓度小于10ppm时得到电解液；其中：
所述除水剂与步骤S1中的混合物的质量比为1-10；
搅拌时间为1min-60min；蒸发条件：温度40℃-60℃，压强0.01kPa-150kPa。
S3：密封存储。所述电解液在惰性气体保护下冷却至常温，在与水和氧隔绝的环境下密封保存，所述惰性气体包括氮气、氩气中的一种或任意比组合。
实施例1：
将含水量2000ppm的四氟硼酸四乙基铵粗品及含水量为2000ppm丁内酯粗品以质量比为1:2的比例在20℃下机械混合1分钟，然后加入其混合物总质量10倍的除水剂(甲苯)，搅拌1分钟后，在40℃，100KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-80℃～80℃、4V下使用。在-80℃下使碳纳米管(氧含量<2％，金属杂质含量<10ppm)电极材料的电容性能是25℃性能的80％。
实施例2：
将含水量10ppm的N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐粗品、含水量2000ppm的三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐粗品及含水量10ppm丁内酯粗品以质量比为2:7:1的比例在50℃机械混合30分钟，然后加入其混合物总质量5倍的除水剂(二甲苯与乙醇，以1:1质量比混合)，搅拌30分钟后，在60℃，0.01KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-40℃～80℃，3-4.2V下使用。在-40℃使时单层石墨烯(氧含量<1％，金属杂质含量<10ppm)的电容性能是25℃性能的80％。
实施例3：
将含水量100ppm的3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐粗品、含水量200ppm丁内酯粗品和含水量1000ppm的碳酸丙烯酯粗品，以三种物质的质量比为2:1:1的比例在50℃机械混合30分钟，然后加入其混合物总质量2倍的除水剂(甲醇与乙醇，以1:10质量比混合)，搅拌10分钟后，在45℃，1KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-70℃～80℃，3.5-4V下使用。在-70℃下使石墨烯和纳米碳纤维(二者质量比为1:1，氧含量<2％，金属杂质含量<10ppm)的电容性能是25℃性能的80％。
实施例4：
将含水量在100ppm的1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐粗品、含水量在1500ppm的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐粗品及含水量2000ppm丁内酯，以三种物质的质量比为37:13:50的比例在20℃机械混合30分钟，然后加入其混合物总质量1倍的除水剂(二甲苯和乙醚，以2:3质量比混合)，搅拌30分钟后，在45℃，30KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-55℃～80℃、3.8V下使用。在-55℃下使壁厚为20nm的碳纳米管和三维多孔炭(二者质量比为：1:9，氧含量<2％，金属杂质含量<10ppm)的电容性能是25℃性能的75％。
实施例5：
将含水量100ppm的N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐粗品、含水量在500ppm的1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐粗品、含水量2000ppm丁内酯粗品、含水量1000ppm的碳酸丙烯酯粗品和含水量300ppm的碳酸甲乙酯粗品，以五种物质的质量比为2:3:50:15:30的比例在30℃机械混合50分钟，然后加入其混合物总质量10倍的除水剂(丙酮与乙醇，以1:1质量比混合)，搅拌20分钟后，在35℃，10KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-72℃～70℃，3.9V下使用。在-72℃下使双层石墨烯(氧含量<1％,金属杂质含量<10ppm)的电容性能是25℃性能的70％。
实施例6：
将含水量100ppm的二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐粗品、含水量1500ppm的1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺粗品、及含水量2000ppm丁内酯粗品以三种物质的质量比为83:12:5的比例在30℃机械混合50分钟，然后加入其混合物总质量5倍的除水剂(甲醇和乙醚，以1:3质量比混合)，搅拌20分钟后，在35℃，20KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-50℃～65℃、3.8V下使用。在-50℃下使单层石墨烯和洋葱碳(二者质量比为：3:4，氧含量<1.5％，金属杂质含量<10ppm)的电容性能是25℃性能的60％。
实施例7：
将含水量1200ppm的四氟硼酸四乙基铵粗品、含水量在100ppm的四氟硼酸四甲基铵粗品及含水量200ppm丁内酯粗品，三者以质量比为1:0.05:2的比例在40℃机械混合30分钟，然后加入其混合物总质量4倍的除水剂(苯)，搅拌30分钟后，在45℃，120KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-80℃～80℃、3V下使用。在-80℃下使纳米碳纤维(氧含量<2％，金属杂质含量<10ppm)电极材料的电容性能是25℃性能的80％。
实施例8：
将含水量500ppm的四氟硼酸四乙基铵粗品、含水量100ppm的四氟硼酸四甲基铵粗品、含水量200ppm丁内酯粗品及含水量400ppm碳酸二乙酯粗品，四者以质量比为1:0.15:2:1的比例在30℃机械混合60分钟，然后加入其混合物总质量4倍的除水剂(乙醚)，搅拌60分钟后，在42℃，150KPa条件下将除水剂(携带水)蒸发。当除水剂在电解液中的质量浓度小于10ppm后，在氩气保护下，冷却至常温、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。
用于电容器件中时，在-75℃～65℃、3.2V下使用。在-75℃下使石墨烯(氧含量<2％，金属杂质含量<10ppm)电极材料的电容性能是25℃性能的80％。
在其他实施方式中，所述离子液体可以是四氟硼酸四乙基铵、四氟硼酸四甲基铵、N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐、二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐以及1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种，且不局限于上述列举的范围；在其他实施方式中，所述酯类化合物可以为但不局限于丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯中的一种或多种。在其他实施方式中，所述除水剂可以为但不局限于苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮中的一种或多种。在其他实施方式中，所述离子液体与所述酯类化合物的质量比不限定为上述实施例中的情形；在其他实施方式中，所述除水剂与混合物的质量比为1-10，不限定为上述实施例。在其他实施方式中，所述混合不限定为机械混合，混合、搅拌、蒸发、密封条件不局限于上述实施例的限定情形。
本发明的电解液可在-80℃-80℃范围下应用，电压窗口为3V至4.2V，用于电容器件中时，低温区可在-80℃至-40℃，高温区可达65℃至80℃。当温度为-80℃至-40℃时，所述电极材料的电容性能相当于25℃下其性能的60％-80％。在其他实施例中，所述电极材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维，洋葱碳以及三维多孔炭中的一种或多种。
以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高电压电容的电解液，其特征在于：主要由离子液体与酯类化合物组成的混合物经除水剂脱水后得到，其中离子液体的质量百分比为5％至95％，所述电解液的工作电压达3V-4.2V，应用温度范围为-80℃至80℃。
2.根据权利要求1所述的高电压电容的电解液，其特征在于：所述离子液体包括四氟硼酸四乙基铵、四氟硼酸四甲基铵、N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐、3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐、二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐以及1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高电压电容的电解液，其特征在于：所述酯类化合物包括丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的高电压电容的电解液，其特征在于：所述除水剂包括苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮中的一种或多种。
5.一种根据权利要求1至4中任一项所述的高电压电容的电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按质量百分比准备离子液体粗品、酯类化合物粗品，进行混合；
S2：将除水剂加入步骤S1得到的混合物，搅拌均匀后将携带水的除水剂蒸发排出，直至除水剂的质量浓度小于10ppm时得到电解液；
S3：密封存储。
6.根据权利要求5所述的高电压电容的电解液的制备方法，其特征在于：所述除水剂与步骤S1中的混合物的质量比为1-10；所述离子液体粗品与所述酯类化合物粗品的含水量为10ppm-2000ppm；所述离子液体粗品的质量百分比为5％-95％。
7.根据权利要求5所述的高电压电容的电解液的制备方法，其特征在于：步骤S1中的混合为机械混合，混合温度为20℃-60℃，混合时间1min-60min；步骤S2中搅拌时间为1min-60min；蒸发条件：温度40℃-60℃，压强0.01kPa-150kPa。
8.根据权利要求5所述的高电压电容的电解液的制备方法，其特征在于：所述电解液在惰性气体保护下冷却至常温，在与水和氧隔绝的环境下密封保存，所述惰性气体包括氮气、氩气中的一种或任意比组合。
9.一种电容器件，其特征在于：包括权利要求1至4中任一项所述的高电压电容的电解液和电极材料。
10.根据权利要求9所述的电容器件，其特征在于：所述电极材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维，洋葱碳以及三维多孔炭中的一种或多种。
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