CN112309724B - 一种基于低共熔溶剂电解液构建锌离子混合超级电容器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于低共熔溶剂电解液构建锌离子混合超级电容器的方法，属于电化学储能技术领域。所述低共熔溶剂电解液由一定摩尔比的氯化锌与氢键供体物质混合均匀，加热反应后，添加一种或两种导电剂制备而成。所述的氢键供体物质为尿素、乙二醇、氯化胆碱、乙酰胺中的一种或两种。所述的导电剂为1，2‑二氯乙烷、碳酸二甲酯中的一种或两种。本发明能够提高锌离子混合超级电容器电解液的电导率，抑制锌枝晶的生长，从而提高混合超级电容器的电化学性能。同时本发明所用电解液为非燃性物质，相比于离子液体/有机电解液，更安全环保。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及一种低共熔溶剂电解液用于锌离子混合超级电容器领域的方法。
背景技术
超级电容器具有高的功率密度、优异的循环稳定性和高的安全性。但是超级电容器的能量密度一直不令人满意。而混合型超级电容器兼具电池和超级电容器的优点，具有电池型的电极和电容型的电极组成，是提高超级电容器能量密度的一个重要方法。
锂离子、钠离子以及钾离子混合超级电容器已经得到了广泛的研究。然而，这些电容器大都采用有机电解液，存在着一定的安全隐患。近来，锌离子混合超级电容器因其资源丰富、环境友好、良好的化学稳定性以及高的理论容量(820mA h g-1)，而受到广泛关注。而锌离子混合超级电容器采用的电解液大多是水系ZnSO4溶液。水系电解质的最大弊端是在Zn阳极表面产生大量的Zn枝晶，由此导致锌离子混合超级电容器呈现出差的电容性能和循环稳定性。基于此，寻求合适的无水电解液用于锌离子混合超级电容器成为一个重要的研究方向。
低共熔溶剂(DESs)，一种新型的离子液体，是由Lewis或
酸和碱共晶混合物形成的体系。DESs含有大量的非对称低晶格能离子，因此熔点低。它们通常是通过季铵盐与金属盐或氢键供体(HBD)络合而获得的。低共熔溶剂可用通式描述为Cat+X-zY，其中Cat+原则上是任何铵、膦或磺酸阳离子；X是Lewis碱，通常是卤化物阴离子；X-和Lewis或
酸Y之间形成复杂阴离子物种(z指与阴离子相互作用的Y分子的数量)。尽管DESs与ILs的物理性质有很多相似性，但它们两者的化学性质有较大差异。近年来，由于其具有高的离子强度、高的极性、超分子结构、高的介电常数、可忽略的蒸气压、可生物降解、在空气中优良的稳定性以及环境友好等特点，被广泛应用于纤维素衍生物的合成、生物柴油提纯、聚合物和有机物的合成以及能源环境等领域。作为电解液来讲，由于低共熔溶剂本身所具有的较高粘度不利于离子的转移和扩散，从而限制了其应用范围。
发明内容
本发明针对水系电解液产生Zn枝晶的问题，提出了一种基于低共熔溶剂电解液构建锌离子混合超级电容器的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是通过如下方式实现的：
步骤1：锌阳极制备
将商用锌片(约2mm)，抛光去除表面的氧化层；
步骤2：多孔碳阴极制备
将商用多孔碳(SBET≈1900m2g-1)与粘结剂以质量比为90:10的比例混合均匀，然后用将该混合物辊压成薄片状，用压机将薄片压成直径为12mm的圆形电极片。
步骤3：低共熔溶剂电解液制备
将ZnCl2与氢键供体物质混合均匀，在一定温度下加热，自然冷却到室温后，加入导电剂，搅拌后制备而成。所述的氢键供体物质为尿素、乙二醇、氯化胆碱、乙酰胺中的一种或两种；其与ZnCl2的摩尔比为1～5:1；所述加热温度为80～110℃，加热时间为1～4h；所述的导电剂为1，2-二氯乙烷、碳酸二甲酯中的一种或两种；其与ZnCl2的摩尔比为6～12:1。
步骤4：按照锌片、隔膜(滴加低共熔溶剂电解液)、多孔碳阴极的顺序组装成锌离子混合超级电容器。
作为一种优化，所述步骤(3)低共熔溶剂电解液制备中：氢键供体物质为尿素；其与ZnCl2的摩尔比为3:1；加热温度为100℃，加热时间为2h；导电剂为1，2-二氯乙烷；其与ZnCl2的摩尔比为8:1。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明所用电解液为低共熔溶剂，不能形成锌枝晶，从而有效避免了电池的短路，提高了电解液的电导率，因而锌离子混合超级电容器具有优异的电化学性能和高的能量密度。
2、本发明所用电解液为非燃性物质，相比于离子液体/有机电解液，更安全环保。
3、本发明原材料廉价易得、无毒，所得器件价格便宜且安全。
附图说明
图1为本发明实施例1所组装的锌离子混合超级电容器的CV曲线图；
由图可知，该锌离子混合超级电容器的比电容量为65mAh g-1。
图2为本发明实施例2所组装的锌离子混合超级电容器的GVD曲线图；
由图可知，该锌离子混合超级电容器的比电容量为77.6mAh g-1。
图3为本发明实施例3所组装的锌离子混合电容器的能量密度和功率密度图；
由图可知，该锌离子混合超级电容器的比电容量为70.3mAh g-1。
图4为锌离子混合电容器的Zn阳极循环后的SEM对比图；其中：(a)采用ZnCl2水系电解液组装、(b)采用本发明实施例2所组装；
由图可以明显看出，本发明提出的低共熔溶剂电解液相比于ZnCl2水系电解液在Zn阳极表面没有明显的Zn枝晶的生成。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明中低共熔溶剂电解液构建锌离子混合超级电容器的方法做出进一步的具体说明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
(1)锌阳极制备：将商用锌片(约2mm)，抛光去除表面的氧化层；
(2)多孔碳阴极制备：将商用多孔碳(SBET≈1900m2g-1)与粘结剂以质量比为90:10的比例混合均匀，然后用将该混合物辊压成薄片状，用压机将薄片压成直径为12mm的圆形电极片。
(3)低共熔溶剂电解液制备：ZnCl2与乙二醇按照摩尔比为1:2混合均匀，在90℃加热2h，自然冷却到室温后，按照ZnCl2与1，2二氯乙烷的摩尔比为1:6的量将1，2二氯乙烷加入到上述溶液中，搅拌30min，形成ZnCl2/乙二醇/1,2-二氯乙烷低共熔溶剂电解液。
(4)将锌片、隔膜(滴加低共熔溶剂电解液)、多孔碳阴极的顺序组装成锌离子混合超级电容器。
实施例2
(1)锌阳极制备：将商用锌片(约2mm)，抛光去除表面的氧化层；
(2)多孔碳阴极制备：将商用多孔碳(SBET≈1900m2g-1)与粘结剂以质量比为90:10的比例混合均匀，然后用将该混合物辊压成薄片状，用压机将薄片压成直径为12mm的圆形电极片。
(3)低共熔溶剂电解液制备：ZnCl2与尿素按照摩尔比为1:3混合均匀，在100℃加热2h，自然冷却到室温后，按照ZnCl2与1，2二氯乙烷的摩尔比为1:8的量将1，2二氯乙烷加入到上述溶液中，搅拌30min，形成ZnCl2/尿素/1,2-二氯乙烷低共熔溶剂电解液。
(4)将锌片、隔膜(滴加低共熔溶剂电解液)、多孔碳阴极的顺序组装成锌离子混合超级电容器。
实施例3
(1)锌阳极制备：将商用锌片(约2mm)，抛光去除表面的氧化层；
(2)多孔碳阴极制备：将商用多孔碳(SBET≈1900m2g-1)与粘结剂以质量比为90:10的比例混合均匀，然后用将该混合物辊压成薄片状，用压机将薄片压成直径为12mm的圆形电极片。
(3)低共熔溶剂电解液制备：ZnCl2与乙酰胺按照摩尔比为1:5混合均匀，在110℃加热4h，自然冷却到室温后，按照ZnCl2与碳酸二甲酯的摩尔比为1:10的量将碳酸二甲酯加入到上述溶液中，搅拌30min，形成ZnCl2/乙酰胺/碳酸二甲酯低共熔溶剂电解液。
(4)将锌片、隔膜(滴加低共熔溶剂电解液)、多孔碳阴极的顺序组装成锌离子混合超级电容器。
Claims (1)
1.一种基于低共熔溶剂电解液构建锌离子混合超级电容器的方法，其特征
在于包括如下步骤：
（1）锌阳极制备：
将锌片，抛光去除表面的氧化层；
（2）多孔碳阴极制备
将多孔碳与粘结剂以质量比为90:10的比例混合均匀，然后用将该混合物辊压成薄片状，用压机将薄片压成圆形电极片；
（3）低共熔溶剂电解液制备
将ZnCl2与氢键供体物质混合均匀，在一定温度下加热，自然冷却到室温后，加入导电剂，搅拌后制备而成；
所述的氢键供体物质为尿素；其与ZnCl2的摩尔比为3: 1；
所述加热温度为100℃，加热时间为2 h；
所述的导电剂为1，2-二氯乙烷；其与ZnCl2的摩尔比为8 : 1；
（4）组装超级电容器
按照步骤（1）得到的阳极、滴加步骤（3）制备的低共熔溶剂电解液的隔膜、步骤（2）得到的多孔碳阴极的顺序组装成锌离子混合超级电容器。
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| Title |
|---|
| All-climate aqueous supercapacitor enabled by a deep eutectic solvent electrolyte based on salt hydrate;Xudong Bu等;《Journal of energy Chemistry》;20200304;第198-204页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112309724A (zh) | 2021-02-02 |
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