DE202015104567U1 - An inorganic nanoparticle containing organic supercapacitor electrolyte - Google Patents
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Abstract
Ein anorganische Nanopartikel enthaltender organischer Superkondensatorelektrolyt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt folgende Komponenten enthält: organisches Lösungsmittel, Elektrolytsalz und Nanoverbindungspartikel.An organic supercapacitor electrolyte containing an inorganic nanoparticle, characterized in that the electrolyte contains the following components: organic solvent, electrolyte salt and nanocomposite particles.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Superkondensator-Technologie, insbesondere einen anorganische Nanopartikel enthaltenden organischen Superkondensatorelektrolyt.The present invention relates to the field of supercapacitor technology, in particular to an inorganic nanoparticle-containing organic supercapacitor electrolyte.
Elektrochemische Kondensatoren, die sich auch als Superkondensatoren (super capacitors), extreme Kondensatoren bezeichnen, sind neue Art Energiespeichereinrichtung zwischen den Sekundärbatterien und traditionellen elektrostatischen Kondensatoren, die höhere Energiedichte als die traditionellen elektrostatischen Kondensatoren und höhere Leistungsdichte als die Sekundärbatterien aufweisen, somit haben sie die Vorteile u. a. hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer, breiten Betriebstemperaturbereich, gute Zyklenstabilität Wartungsfreiheit und Umweltfreundlichkeit, bereits haben sie in vielen Einsatzbereichen wie z. B. Schienenverkehr, Windkraftstromversorgung, Hybrid Fahrzeugen, UPS der elektronischen Bauteilen, eine umfangreichste Anwendungsaussicht gezeigt.Electrochemical capacitors, also referred to as super capacitors, are new types of energy storage devices between the secondary batteries and traditional electrostatic capacitors, which have higher energy density than the traditional electrostatic capacitors and higher power density than the secondary batteries, thus they have the advantages u. a. high power density, long life, wide operating temperature range, good cycle stability maintenance-free and environmentally friendly, they have already been used in many applications such. As rail transport, wind power, hybrid vehicles, UPS electronic components, a most comprehensive application outlook.
Der organische Elektrolyt der bekannten Superkondensatoren besteht im Wesentlichen aus organischem Lösungsmittel und organischem Salz. Das Lösungsmittel umfasst z. B. Acetonitril, Propylencarbonat etc. und der organische Salz aus Tetraethylammoniumtetrafluoroborat, Triethylphosphat Methylammoniumtetrafluorborat usw. Betriebsspannung liegt in der Regel von 0 bis 2,7 V und maximale Betriebstemperatur bis zu 65°C. Da eine Betriebsspannung über 2,7 V zu der elektrochemischen Reaktion des Elektrolyt führen kann, so dass der Betriebsstand und die Lebensdauer der Superkondensatoren beeinträchtigt werden. Die Temperatur über 65°C hat die Zunahme des Kondensator-Leckstroms, Kapazitätdämpfung und Vergasung des Lösungsmittels zur Folge, dauerhaft werden die einzelnen Einheiten der Kondensatoren ausgedehnt und löst Sicherheitsrisiko aus.The organic electrolyte of the known supercapacitors consists essentially of organic solvent and organic salt. The solvent comprises z. As acetonitrile, propylene carbonate, etc. and the organic salt of tetraethylammonium tetrafluoroborate, triethyl phosphate methylammonium tetrafluoroborate, etc. Operating voltage is usually from 0 to 2.7 V and maximum operating temperature up to 65 ° C. Since an operating voltage above 2.7 V can lead to the electrochemical reaction of the electrolyte, so that the operation and the life of the supercapacitors are affected. The temperature above 65 ° C results in the increase of the capacitor leakage current, capacitance damping and gasification of the solvent, permanently the individual units of the capacitors are extended and triggers safety risk.
Der organische Elektrolyt ist leicht entzündlich, insbesondere der am häufigsten verwendete Elektrolyt mit Lösungsmittel Acetonitril, der Flammpunkt von Acetonitril beträgt nur 6°C. Dies führt zu einer Anwendungsbeschränkung der Superkondensatoren in vielen Gebieten. Z. B wenn die Mega-Superkondensatoren als Energiespeichereinrichtung zur Energiespeicherung und -Versorgung im Feld Schienenverkehr eingesetzt werden, führen die ständige Hochstromladung und -entladung zur Temperaturerhöhung der Superkondensatoren und somit entsteht ein Sicherheitsrisiko. In manchen militärischen Feldern wird erfordert, dass die Energiespeichereinrichtungen auch bei Hochtemperatur ordnungsmäßig arbeiten, was die Anwendungsgebiete der Superkondensatoren weiterhin begrenzt.The organic electrolyte is highly flammable, especially the most commonly used electrolyte with solvent acetonitrile, the flash point of acetonitrile is only 6 ° C. This leads to an application limitation of the supercapacitors in many fields. For example, when the mega-supercapacitors are used as energy storage devices for energy storage and supply in the field of rail traffic, the constant high-current charging and discharging lead to the temperature increase of the supercapacitors and thus creates a security risk. In some military fields, the energy storage devices are required to operate properly even at high temperature, which further limits the fields of application of the supercapacitors.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die oben genannten Probleme zu lösen und einen anorganische Nanopartikel enthaltenden organischen Elektrolyt der Superkondensatoren bereitzustellen.The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an inorganic nanoparticle-containing organic electrolyte of supercapacitors.
Um die oben genannte Erfindungsaufgabe zu realisieren, wird der Erfindung die folgenden technischen Lösungen benutzt: Anorganische Nanopartikel enthaltender organischer Elektrolyt, dieser Elektrolyt besteht aus folgenden Komponenten: organischem Lösungsmittel, Elektrolytsalz und anorganischen Nanoverbindungspartikeln.In order to realize the above-mentioned problem of the invention, the following technical solutions are used in the invention: Organic electrolyte containing inorganic nanoparticles, this electrolyte consists of the following components: organic solvent, electrolyte salt and inorganic nanocomposite particles.
Vorteilhaft sind die anorganischen Nanoverbindungspartikel Nano-Magnesiumoxid, Nano-Aluminiumoxid oder Nano-Siliziumoxid.Advantageously, the inorganic nanocomposite particles nano-magnesium oxide, nano-alumina or nano-silica.
Vorteilhaft liegt der Masseprozentsatz der anorganischen Nanoverbindungspartikel am Elektrolyt bei 0.01%–5%.Advantageously, the mass percentage of inorganic nanocomposite particles in the electrolyte is 0.01% -5%.
Vorteilhaft ist der Elektrolytsalz Tetraethylammoniumtetrafluoroborat, Tetramethylammoniumtetrafluorborat, Triethyl-Methylammoniumtetrafluorborat, N,N-Diethyl-Ammoniumtetrafluoroborat Pyrrolidin, N-Methyl-N-ethyl-pyrrolidin Alkylammonium tetrafluoroborat, N,N-Dimethyl-ammonium-tetrafluoroborat Pyrrolid in oder 5-Aza-spiro[4,4]nonan Ammoniumtetrafluoroborat.Advantageously, the electrolyte salt tetraethylammonium tetrafluoroborate, tetramethylammonium tetrafluoroborate, triethyl-methylammonium tetrafluoroborate, N, N-diethyl-ammonium tetrafluoroborate pyrrolidine, N-methyl-N-ethyl-pyrrolidine alkylammonium tetrafluoroborate, N, N-dimethyl-ammonium tetrafluoroborate pyrrolidine or 5-aza-spiro [4,4] nonane ammonium tetrafluoroborate.
Vorteilhaft ist der organische Lösungsmittel Acetonitril, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, r-Butyrolacton, Butylencarbonat oder Diethylcarbonat.Advantageously, the organic solvent is acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, r-butyrolactone, butylene carbonate or diethyl carbonate.
Vorteilhaft liegt die Teilchengröße der anorganischen Nanoverbindungspartikel bei 20–100 nm.Advantageously, the particle size of the inorganic nanocomposite particles is 20-100 nm.
Die vorliegende Erfindung bringt dem bekannten Technikstand gegenüber die folgenden Vorteilen mit sich: Verbesserung der Temperatur- und Spannungsbeständigkeit der Superkondensatoren, Verlängerung der Lebensdauer, Erhöhung der Sicherheitsleistung der Superkondensatoren. Detailliertes AusführungsverfahrenThe present invention provides the following advantages over the prior art: Improving the temperature and voltage resistance of the supercapacitors, extending the lifetime, increasing the safety performance of the supercapacitors. Detailed execution procedure
Im Folgenden wird durch detaillierte Ausführungsbeispiele das technische Lösungskonzept vorliegender Erfindung näher betrachtet.In the following, the technical solution concept of the present invention will be considered in more detail by detailed exemplary embodiments.
Ohne spezifische Angaben sind alle Werkstoffe, die in folgenden Ausführungsbeispielen eingesetzt werden, allgemein angewendete Werkstoffe in der Branche, eben die in folgenden Ausführungsbeispielen eingesetzten Verfahren sind allgemein anerkannt in der Branche.Without specificity, all materials used in the following embodiments are generally used materials in the industry, and the same processes used in the following embodiments are generally accepted in the industry.
Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1
Die Siliziumoxidteilchen, die eine Teilchengröße von 20–30 nm und Masseverhältnis von 0.1% aufweisen, werden in einem 1 mol/L organischen Tetraethylammoniumtetrafluoroborat/Acetonitril-Elektrolyt zugegeben und homogenisiert. Die Superkondensatoren, die mit diesem Elektrolyt hergestellt werden, weisen eine spezifische Kapazität zu 95% und 1,2-facher Innenwiderstand gegenüber diejenigen Kondensatoren auf, deren Elektrolyten keine anorganischen Nanoteilchen enthalten. Nach einer 2-monatigen Auf- und Entladungfloatprüfung in Testbedingung von 80°C und 2.85 V ergeben sich eine Kapazitätrückhaltrate auf 86% und Widerstandanstieg um 61%.The silica particles having a particle size of 20-30 nm and a mass ratio of 0.1% are added and homogenized in a 1 mol / L organic tetraethylammonium tetrafluoroborate / acetonitrile electrolyte. The supercapacitors produced with this electrolyte have a specific capacity of 95% and 1.2 times the internal resistance to those whose electrolytes do not contain inorganic nanoparticles. After a 2-month inflate and discharge float test in the test condition of 80 ° C and 2.85 V, a capacity retention rate of 86% and resistance increase of 61% are obtained.
Beispiel 2:Example 2:
Die Aluminiumoxidteilchen, die eine Teilchengrösse von 50–100 nm und Masseverhältnis von 0.05% aufweisen, werden in einem 1 mol/L organischen Triethyl-methyl-Ammoniumtetrafluoroborat/Acetonitril-Elektrolyt zugegeben und homogenisiert. Die Superkondensatoren, die mit diesem Elektrolyt hergestellt werden, weisen eine spezifische Kapazität zu 97% und 1,15 Facher Innenwiderstand gegenüber diejenigen Kondensatoren auf, deren Elektrolyten keine anorganischen Nanoteilchen enthalten. Nach einer 2-monatigen Auf- und Entladungfloatprüfung in Testbedingung von 80°C und 2.85 V ergeben sich eine Kapazitätrückhaltrate auf 84% und Widerstandanstieg um 70%.The aluminum oxide particles, which have a particle size of 50-100 nm and mass ratio of 0.05%, are added and homogenized in a 1 mol / L organic triethyl-methyl-ammonium tetrafluoroborate / acetonitrile electrolyte. The supercapacitors made with this electrolyte have a specific capacity of 97% and 1.15 internal resistivity over those capacitors whose electrolytes do not contain inorganic nanoparticles. After a 2 month load and unload float test in a test condition of 80 ° C and 2.85 V, a capacity retention rate of 84% and a resistance increase of 70% are obtained.
Beispiel 3:Example 3:
Die magnesiumoxidteilchen, die eine Teilchengrösse von 30–50 nm und Masseverhältnis von 1% aufweisen, werden in einem 1 mol/L organischen 5-Aza-spiro[4,4]nonan Ammoniumtetrafluoroborat/Acetonitril-Elektrolyt zugegeben und homogenisiert. Die Superkondensatoren, die mit diesem Elektrolyt hergestellt werden, weisen eine spezifische Kapazität zu 98% und 1,2-facher Innenwiderstand gegenüber diejenigen Kondensatoren auf, deren Elektrolyten keine anorganischen Nanoteilchen enthalten. Nach einer 2-monatigen Auf- und Entladungfloatprüfung in Testbedingung von 80°C und 2.85 V ergeben sich eine Kapazitätrückhaltrate auf 89% und Widerstandanstieg um 65%.The magnesium oxide particles, which have a particle size of 30-50 nm and a mass ratio of 1%, are added and homogenized in a 1 mol / L organic 5-aza-spiro [4,4] nonane ammonium tetrafluoroborate / acetonitrile electrolyte. The supercapacitors made with this electrolyte have a specific capacity of 98% and 1.2 times the internal resistance to those whose electrolytes do not contain inorganic nanoparticles. After a 2-month floatation and discharge test in the test condition of 80 ° C and 2.85 V, a capacity retention rate of 89% and resistance increase of 65% are obtained.
Beispiel 4:Example 4:
Die Aluminiumoxidteilchen, die eine Teilchengröße von 30–50 nm und Masseverhältnis von 1% aufweisen, werden in einem 1 mol/L organischen 5-Aza-spiro[4,4]nonan Ammoniumtetrafluoroborat/Acetonitril-Elektrolyt zugegeben und homogenisiert. Die Superkondensatoren, die mit diesem Elektrolyt hergestellt werden, weisen eine spezifische Kapazität zu 98% und 1,1-facher Innenwiderstand gegenüber denjenigen Kondensatoren auf, deren Elektrolyten keine anorganischen Nanoteilchen enthalten. Nach einer 2-monatigen Auf- und Entladungfloatprüfung in Testbedingung von 80°C und 2.85 V ergeben sich eine Kapazitätrückhaltrate auf 88% und Widerstandanstieg um 68%.The alumina particles having a particle size of 30-50 nm and mass ratio of 1% are added and homogenized in a 1 mol / L organic 5-aza-spiro [4,4] nonane ammonium tetrafluoroborate / acetonitrile electrolyte. The supercapacitors produced with this electrolyte have a specific capacity of 98% and 1.1 times the internal resistance of those capacitors whose electrolytes do not contain inorganic nanoparticles. After a 2-month charge and discharge float test in a test condition of 80 ° C and 2.85 V, a capacity retention rate of 88% and a resistance increase of 68% are obtained.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: IRIDIUM IP, DE |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |