一种水系复配电解液及其制备方法和应用
阅读：222发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种水系复配电解液及其制备方法和应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 水 系复配 电解 液及其制备方法和应用，其解决了现有超级电容器 能量 密度 低的技术问题，其以 硫酸 钠为 基础 电解质 ，以提供 金属离子 的二水合氯化 铜 与 表面活性剂 四丁基溴化铵复配制得的络合物为电解液添加剂。本发明同时提供了其制备方法和应用。本发明可广泛应用于电化学领域。，下面是一种水系复配电解液及其制备方法和应用专利的具体信息内容。
1.一种水系复配电解液在超级电容器中的应用，其特征在于，所述水系复配电解液以硫酸钠为基础电解质，以提供金属离子的二水合氯化铜与表面活性剂四丁基溴化铵复配制得的络合物为电解液添加剂，其包含以下步骤：
a.将商业化活性炭材料与以N-甲基吡咯烷酮为溶剂、质量分数为3.5％的聚偏氟乙烯搅拌均匀成糊状，以铂片作为集流体，活性炭活性质量控制在1.5mg，将所述的活性炭电极片在120℃真空烘箱中干燥12h；
b.将所述步骤a干燥后的活性炭电极片泡在制备的复配电解液中8h，纤维素隔膜作为隔膜，制得对称型超级电容器，所述的对称超级电容器的两极均为活性炭电极；
c.采用两电极测试方法，在恒定电压、电流条件下，对所述步骤b制得的对称超级电容器进行循环测试，并计算相应电流密度下的单位电容值。
2.根据权利要求1所述的水系复配电解液在超级电容器中的应用，其特征在于，所述步骤a中，商业化活性炭材料与以N-甲基吡咯烷酮为溶剂、质量分数为3.5％的聚偏氟乙烯的质量分数比为9:1。
3.根据权利要求1所述的水系复配电解液在超级电容器中的应用，其特征在于，电压范围为0.0～2V，电流范围为0.2～20A/g。
一种水系复配电解液及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明涉及超级电容器电解液领域，具体地说是一种水系复配电解液及其制备方法和应用。
背景技术
[0003] 超级电容器的优势促使其在电力、交通运输、消费型电子产品等方面有很好的应用，但是其所存在的不足也不容忽略。目前水系超级电容器的储能方式为双电层储能，以多孔碳材料为电极材料，以硫酸为电解液，然而，双电层超级电容器所提供的电容为150F g-1左右，能量密度大致在5-10Wh kg-1。其相对低的能量密度在很多方面都限制了其应用。所以如今针对超级电容器的研究就在于如何提高其能量密度上。目前常用的方法是在研究改性电极材料上，包含原子掺杂和复合金属氧化物和导电聚合物，通过赝电容储能的方式在很大程度上增加了能量密度，但通过杂原子掺杂的方式提升容量有限,且改性电极材料制备工艺复杂，库伦效率相对于传统碳材料来说有一定的差距。
[0004] 基于以上问题，我们通过改变现有思路将重点放在水系电解液的研究上，水系电解液包括溶剂和溶质两部分，其具有离子电导率高，无毒安全，界面阻抗低以及在两个电极上的快速作用和电子补偿的性质。水系电解液制备工艺简单，效果明显，但是其目前也存在问题，电压窗口较低，一般水系的分解窗口为1V左右，能量密度也因此在提升高度上受到限制，如今人们通过两种方法来改善水系电解液存在的缺陷问题，其一是添加中性电解液，据Fic K,Lota G,Meller M,et al.Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors[J].Energy&Environmental Science,2012, 5(2):5842-5850报道，以硫酸锂为中性电解液，电化学窗口扩展到2.2V，另一种是加入氧化还原添加剂来提供赝电容，据Xu D,Hu W,Sun X N,et al.Redox additives of Na2MoO4,and KI:Synergistic effect and the improved capacitive performances for carbon-based supercapacitors[J].Journal of Power Sources,2017,341:448-456. 报道，以硫酸为电解液，其中加入Na2MoO4和KI复配电解质，相比于传统体系比容量增加17.4倍，并且拥有良好的循环稳定性，因此水系电解液的研究对超级电容器有很重要的意义。
发明内容
[0005] 本发明就是为了解决现有超级电容器能量密度低的缺陷，提供了一种易储能、高能量密度、高库伦效率的水系复配电解液及其制备方法及在超级电容器中的应用。
[0007] 本发明同时提供一种水系复配电解液的制备方法，具体包含如下步骤：
[0008] (1)制备硫酸钠中性盐溶液：将硫酸钠加入去离子水中，制得浓度为0.5-5mol/L的硫酸钠中性盐溶液，将装有硫酸钠中性盐溶液的烧杯放置在磁力搅拌器上，搅拌速度为400r/min，搅拌时间为1～3h；(2)制备金属盐溶液：向步骤(1)制得的硫酸钠中性盐溶液中加入金属盐固体粉末，制得浓度为0.005-5mol/L的金属盐溶液，将装有金属盐溶液的烧杯放置在磁力搅拌器上，搅拌速度为400r/min，搅拌时间为1～3h；(3) 制备复配电解液：向步骤(2)制得的金属盐溶液中加入表面活性剂四丁基溴化铵，制得表面活性剂浓度为0.005-
5mol/L的复配电解液，将装有复配电解液的烧杯放置在磁力搅拌器上，搅拌速度为400r/min，搅拌时间为1～3h。
5mol/L的复配电解液，将装有复配电解液的烧杯放置在磁力搅拌器上，搅拌速度为400r/min，搅拌时间为1～3h。
[0009] 优选的，金属盐固体粉末为二水合氯化铜。
[0010] 优选的，反应环境温度为25℃。
[0011] 优选的，反应环境湿度为26RH％。
[0012] 本发明同时提供了一种水系复配电解液在超级电容器中的应用，具体包含以下步骤：
[0013] a.将商业化活性炭材料与以N-甲基吡咯烷酮为溶剂、质量分数为 3.5％的聚偏氟乙烯搅拌均匀成糊状，以铂片作为集流体，活性炭活性质量控制在1.5mg，将活性炭电极片在120℃真空烘箱中干燥12h；b.将步骤a干燥后的活性炭电极片泡在制备的复配电解液中8h，纤维素隔膜作为隔膜，制得对称型超级电容器，对称超级电容器的两极均为活性炭电极；c.采用两电极测试方法，在恒定电压、电流条件下，对步骤b制得的对称超级电容器进行循环测试，并计算相应电流密度下的单位电容值。
[0014] 优选的，步骤a中，商业化活性炭材料与以N-甲基吡咯烷酮为溶剂、质量分数为3.5％的聚偏氟乙烯的质量分数比为9:1。
[0015] 优选的，电压范围为0.0～2V，电流范围为0.2～20A/g。
[0016] 本发明具有以下优点：
[0017] (1)在超级电容器电解液中添加表面活性剂和金属离子，表面活性剂起到双重作用，一方面可以降低固液界面的表面张力，降低界面阻抗促使更多离子向界面转移，另一方面，其可以束缚更多的金属离子，使金属离子均匀分散在界面上提升反应活性，而络合物被活化也可进一步储能，这可以大幅度的提高超级电容器的能量密度，且性能良好。
[0018] (2)使用商业化活性炭作为电极材料，以硫酸钠水溶液为溶剂，加入氯化铜二水合物和表面活性剂四丁基溴化铵作为复配电解质。金属离子和表面活性剂之间的配位产生了优良的影响，表面活性剂在活性炭和电解质界面既可以降低表面张力，还可以通过与金属离子的配位使更多的铜离子固定在界面上，并且络合物被活化还可以进一步储能。基于这一新思路，我们试图通过Cu2+/Cu+/Cu在液固界面上的赝电容反应，提高超级电容器的能量-1密度，同时使体系有很高的库伦效率。此外，与中性电解液1M Na2SO4(63.1F g )相比，新型电解液在1A g-1的电流密度下容量达到657.2F g-1比容量，且表面活性剂的存在有助于稳定一价铜离子，在一定程度上有效避免了大量铜沉积。
[0020] 图1本发明的电解质分别为Na2SO4,Na2SO4+TBAB,Na2SO4+CuCl2, Na2SO4+CuCl2+TBAB溶液的倍率性能图。
具体实施方式
[0022] 实施例1
[0023] 将硫酸钠加入去离子水中，配置成浓度为0.5mol/L的中性电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌1h。
[0024] 向中性电解液中加入二水合氯化铜溶液，配置成浓度为0.005mol/L 的金属盐溶液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌1h。
[0025] 向配置好的溶液中继续添加四丁基溴化铵，配置成浓度为 0.005mol/L的复配电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌1h。然后以活性炭为电极材料进行电化学测试。
[0026] 实施例2
[0027] 将硫酸钠加入去离子水中，配置成浓度为0.5mol/L的中性电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌1h。
[0028] 向中性电解液中加入二水合氯化铜溶液，配置成浓度为0.5mol/L的金属盐溶液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌1h。
[0029] 向配置好的溶液中继续添加四丁基溴化铵，配置成浓度为 0.025mol/L的复配电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌1h。然后以活性炭为电极材料进行电化学测试。
[0030] 实施例3
[0031] 将硫酸钠加入去离子水中，配置成浓度为0.5mol/L的中性电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌2h。
[0032] 向中性电解液中加入二水合氯化铜溶液，配置成浓度为0.5mol/L的金属盐溶液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌2h。
[0033] 向配置好的溶液中继续添加四丁基溴化铵，配置成浓度为0.1mol/L 的复配电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌2h。然后以活性炭为电极材料进行电化学测试。
[0034] 实施例4
[0035] 将硫酸钠加入去离子水中，配置成浓度为2.5mol/L的中性电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌2h。
[0036] 向中性电解液中加入二水合氯化铜溶液，配置成浓度为2.5mol/L的金属盐溶液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌2h。
[0037] 向配置好的溶液中继续添加四丁基溴化铵，配置成浓度为2.5mol/L 的复配电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅2h。然后以活性炭为电极材料进行电化学测试。
[0038] 实施例5
[0039] 将硫酸钠加入去离子水中，配置成浓度为5mol/L的中性电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌3h。
[0040] 向中性电解液中加入二水合氯化铜溶液，配置成浓度为5mol/L的金属盐溶液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌3h。
[0041] 向配置好的溶液中继续添加四丁基溴化铵，配置成浓度为5mol/L的复配电解液，放置在磁力搅拌器上，速度为400r/min，搅拌3h。然后以活性炭为电极材料进行电化学测试。
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