一種混合型超級電容器電解液的製作方法

2023-09-16 19:37:50 4

一種混合型超級電容器電解液的製作方法
【專利摘要】一種混合型超級電容器電解液，該電解液由兩種電解質鹽和兩種以上有機溶劑配製而成；所用的電解質鹽一種為鋰鹽，另外一種為季銨鹽。溶劑之一為碳酸丙烯酯，其他溶劑為乙腈、丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁內酯中的一種或多種。電解液中兩種電解質鹽的濃度範圍均為0.1~2mol/L。使用該電解液的混合型超級電容器表現出良好的充放電循環穩定性。
【專利說明】一種混合型超級電容器電解液
【技術領域】
[0001]本發明屬於混合型超級電容器領域，具體涉及一種混合型超級電容器電解液。
【背景技術】
[0002]隨著資源和能源日益匱乏，人類更加依賴可再生新能源。超級電容器由於具有充電快、循環壽命長、免維護、無汙染等優點，已成為能源領域的研究熱點。超級電容器在交通、航空、軍工等領域具有廣泛的應用前景。
[0003]按照儲能機理的不同，超級電容器分為雙電層電化學超級電容器和贗電容超級電容器。混合型超級電容器使用法拉第可充電電池的一極作負極，超級電容器的一極(一般為高比表面積活性炭電極)作正極。相對於雙電層電化學超級電容器和贗電容超級電容器，混合型超級電容器具有更高的能量密度，較低的自放電率和遠大於二次電池的功率密度。
[0004]研究表明，電解液的性質在很大程度上決定著混合型超級電容器的電化學性能。目前混合型超級電容器所使用的電解液包括水系和有機系兩種。通常使用的水系電解液為Li2SO4等硫酸鹽。採用水系電解液的超級電容器的單體工作電壓僅為IV左右(1nics2008, 14:441)。而在常用的有機系電解液中採用LiPF6或LiBF4作溶質，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)作溶劑。採用這種有機電解液的超級電容器的單元工作電壓可以達到2.5V。
[0005]四乙基四氟硼酸銨(TEABF4)具有高電導率和低粘度的特性，並可以在活性物質上生成SEI膜保護電極活性物質，所以其在鋰離子電池和有機系超級電容器的應用近年來越來越受到學術界和企業的重視。而與在鋰離子電池常用的溶劑如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等相比，活性炭電極在碳酸丙烯酯中會表現出更好的循環性能(電池工業.2009(03):177)。
[0006]目前，在鋰離子混合型超級電容器中普遍採用工作電壓較高的鋰離子電池有機系電解液。在這類電解液中一般採用LiPF6*LiBF4作溶質，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)作溶劑(US6252762Bl，Energy Environ Sc1.20125:9363)。雖然這類電解液對電池極鋰離子脫嵌反應進行了優化，但是對活性炭電極雙電層形成過程來說，其並不是一種理想的選擇(和常用的超級電容器電解液相比)。本發明將鋰離子電池電解液中的組分與超級電容器電解液的組分進行優化組合，開發出一種能夠同時發揮電池極高比能特性和電容極高倍率性能的新型電解液。另外,採用這種電解液,使混合型超級電容器的循環穩定性得到顯著改善。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種混合型超級電容器電解液，以提高混合型超級電容器的充放電循環穩定性。
[0008]本發明提供了 一種混合型超級電容器電解液，該電解液包括溶質和溶劑；溶質為兩種電解質鹽，溶劑為兩種以上的有機溶劑；所述兩種電解質鹽的一種為鋰鹽，另一種為季銨鹽；所述兩種以上的有機溶劑中的一種溶劑為碳酸丙烯酯，其他溶劑為乙腈、丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、Y-丁內酯中的一種或幾種。
[0009]本發明提供的混合型超級電容器電解液，所述鋰鹽為六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰、高氯酸鋰中的一種或幾種(鋰鹽優選六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰中的一種或兩種)。
[0010]本發明提供的混合型超級電容器電解液，所述季銨鹽，其中的陽離子為烷基季銨鹽離子(優選四乙基季銨根離子)，陰離子為四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子、高氯酸根離子或三甲基磺酸根離子中的一種(優選四氟硼酸根離子)。
[0011]本發明提供的混合型超級電容器電解液，所述兩種以上的有機溶劑中的一種溶劑為碳酸丙烯酯，其他溶劑為碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯中的一種或幾種。
[0012]本發明提供的混合型超級電容器電解液，所述季銨鹽和鋰鹽的濃度範圍均為
0.1~2.0moI/L (優選 0.2~1.2mol/L)。
[0013]本發明採用鋰離子電池和超級電容器常用的電解質鹽和溶劑，配製出一種新型的電解液。採用此電解液的混合型超級電容器表現出良好的充放電循環穩定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為使用實施例1及比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數的變化情況；
[0015]圖2為使用實施 例1及比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的的電壓降隨循環次數的變化情況；
[0016]圖3為使用實施例2所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數的變化情況；
[0017]圖4為使用實施例3所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數的變化情況。
【具體實施方式】
[0018]下面具體描述本發明所涉及的混合型超級電容器的電極製備及單體組裝方法。下面的製備與組裝方法用於對本發明的說明，而不是對本發明的範圍的限制。
[0019]混合型超級電容器的正極和負極採用塗布法製備。負極使用鈦酸鋰(Li4Ti5O12Mt物質，導電炭黑(Super P)作導電劑，聚偏氟乙烯(PVDF)作粘結劑；正極使用活性炭作活性物質，乙炔黑作導電劑，聚四氟乙烯(PTFE)作粘結劑。電極活性物質與導電劑、粘結劑的質量比為80:10:10。正極活性物質與負極活性物質的質量比為3:1。使用Celgard2400作為隔膜，在手套箱中進行單體組裝。最後將本發明的有機電解液注入單體中，封裝成扣式電池，用於性能測試。
[0020]下面通過實施例對本發明做進一步說明。以下的實施例僅用於對本發明的說明，而不是對本發明範圍的限制。
[0021]實施例1
[0022]按照「【具體實施方式】」描述的方法製備電極和組裝扣式鈦酸鋰/活性炭混合型超級電容器。
[0023]其中使用的電解液的組成與配比(體積)如下:[0024]溶劑:碳酸丙烯酯(PC) I份、碳酸乙烯酯(EC) I份、碳酸二甲酯(DMC) I份；
[0025]溶質:四乙基四氟硼酸銨(TEABF4)濃度0.3mol/L ;六氟磷酸鋰(LiPF6)濃度
0.7mol/L。
[0026]所配製的電解液的電導率為11.62mS/cm。結果表明實施例1所配製的電解液的電導率高於比較例I中的電解液(電解質鹽僅用六氟磷酸鋰)的電導率(10.96mS/cm)。
[0027]圖1中曲線(I)為使用實施例1所配製電解液的採用【具體實施方式】所組裝的鈦酸鋰/活性炭混合型超級電容器的比容量隨循環次數變化情況。圖1中曲線(2)為使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數變化情況。圖中的結果表明，實施例1所製備的使用實施例1所配製電解液的混合型超級電容器的循環穩定性優於使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器循環穩定性。
[0028]圖2中曲線(I)為使用實施例1所配製電解液的混合型超級電容器的電壓降隨循環次數的變化情況。圖1中曲線(2)為使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的電壓降隨循環次數的變化情況。圖中的結果表明，使用實施例1所配製電解液的混合型超級電容器的電壓降在循環過程中始終低於使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的電壓降。
[0029]實施例2
[0030]按照「【具體實施方式】」所述的方法製備電極和組裝扣式鈦酸鋰/活性炭混合型超級電容器。
[0031]其中使用的電解液組成與配比(體積)如下:
[0032]溶劑:碳酸丙烯酯(PC) I份、碳酸乙烯酯(EC) I份、碳酸二甲酯(DMC) 2份，
[0033]溶質:四乙基四氟硼酸銨(TEABF4)濃度0.5mol/L ;六氟磷酸鋰(LiPF6)濃度
0.5mol/L。
[0034]所配製的電解液的電導率為11.47mS/cm。表明實施例2所配製的電解液的電導率高於比較例I中電解質鹽只有六氟磷酸鋰的電導率(10.96mS/cm)。
[0035]圖3為使用實施例2所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數的變化情況。圖中的結果表明，使用實施例2所配製電解液的混合型超級電容器的循環穩定性優於使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的電壓降(圖1 (2))。
[0036]實施例3
[0037]按照「【具體實施方式】」所述的方法製備電極和組裝扣式鈦酸鋰/活性炭混合型超級電容器。
[0038]其中使用的電解液組成與配比(體積)如下:
[0039]溶劑:碳酸丙烯酯(PC) I份、碳酸乙烯酯(EC) I份、碳酸二甲酯(DMC) 2份，
[0040]溶質:四乙基四氟硼酸銨(TEABF4)濃度1.0mol/L ;六氟磷酸鋰(LiPF6)濃度
0.5mol/L。
[0041]所配製的電解液的電導率為13.42mS/cm。表明實施例3所製備的電解液的電導率高於比較例I中電解質鹽只有六氟磷酸鋰的電導率(10.96mS/cm)。
[0042]圖4為使用實施例3所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數的變化情況。圖示結果表明，使用實施例3所配製電解液的混合型超級電容器的循環穩定性優於使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的電壓降(圖1⑵)。[0043]比較例I
[0044]按照「【具體實施方式】」所述的方法製備電極和組裝扣式鈦酸鋰/活性炭混合型超級電容器。
[0045]其中使用的電解液組成與配比(體積)如下:
[0046]溶劑:碳酸乙烯酯(EC) I份、碳酸二甲酯(DMC) I份，
[0047]溶質:六氟磷酸鋰(LiPF6)濃度1.0mol/L。
[0048]所配製的電解液的電導率為10.96mS/cm。
[0049]使用比較例I所配製電解液的混合型超級電容器的比容量隨循環次數變化情況如圖1(2)所示。
【權利要求】
1.一種混合型超級電容器電解液，其特徵在於:該電解液包括溶質和溶劑；溶質為兩種電解質鹽，溶劑為兩種以上的有機溶劑； 所述兩種電解質鹽的一種為鋰鹽，另一種為季銨鹽； 所述兩種以上的有機溶劑中的一種溶劑為碳酸丙烯酯，其他溶劑為乙腈、丙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、Y-丁內酯中的一種或幾種。
2.按照權利要求1所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述鋰鹽為六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰、高氯酸鋰中的一種或幾種。
3.按照權利要求2所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述所述鋰鹽為六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰中的一種或兩種。
4.按照權利要求1所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述季銨鹽，其中的陽離子為烷基季銨鹽離子，陰離子為四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子、高氯酸根離子或三甲基磺酸根離子中的一種。
5.按照權利要求4所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述季銨鹽，其中的陽離子為四乙基季銨根離子，陰離子為四氟硼酸根離子。
6.按照權利要求1所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述兩種以上的有機溶劑中的一種溶劑為碳酸丙烯酯，其他溶劑為碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯中的一種或幾種。
7.按照權利要求 1所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述季銨鹽和鋰鹽的濃度範圍均為0.1~2.0moL0
8.按照權利要求7所述混合型超級電容器電解液，其特徵在於:所述季銨鹽和鋰鹽的濃度範圍均為0.2^1.2mol/L。
【文檔編號】H01G11/58GK103943376SQ201310021993
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月22日 優先權日:2013年1月22日
【發明者】閻景旺, 薛榮, 郝立星, 衣寶廉 申請人:中國科學院大連化學物理研究所