一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法

文档序号：423292 发布日期：2021-12-21 浏览：33次 >En<

阅读说明：本技术 一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法 (Preparation method of high-voltage wide-temperature-area aqueous electrolyte of super capacitor ) 是由李磊汤成王亚玲张岩于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法,包括：步骤1：使用在水中具有高溶解度的盐配制成水溶液,混合均匀形成“盐包水”结构溶液A；步骤2：将无水有机溶剂加入步骤1配制的溶液A中混合均匀,形成均一溶液B；步骤3：向溶液B中加入在水中具有高溶解度的盐,混合均匀形成若干不同浓度的具有高工作电压、宽工作温度区间的水系电解液C。(The invention discloses a preparation method of a high-voltage wide-temperature-area aqueous electrolyte of a super capacitor, which comprises the following steps: step 1: preparing an aqueous solution by using salt with high solubility in water, and uniformly mixing to form a 'water-in-salt' structural solution A; step 2: adding an anhydrous organic solvent into the solution A prepared in the step 1, and uniformly mixing to form a uniform solution B; and step 3: and adding salt with high solubility in water into the solution B, and uniformly mixing to form a plurality of water-based electrolytes C with different concentrations, high working voltage and wide working temperature range.)

技术领域

本发明属于超级电容器电解液制备领域，具体涉及一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法。

背景技术

超级电容器是电力系统的重要组成部分，具有功率密度高、循环稳定性好、安全性高等特点。电力系统的发展对超级电容器提出了更高的要求，特别是在高能量密度和宽工作温度范围的性能方面。电解液对超级电容器的能量密度和工作温度范围性能都有直接的影响。目前已开发出的三类电解液主要包括水系电解液、有机电解液和离子液体电解液。在这些电解质中，水系电解质引起了极大的关注，这主要是由于其离子导电率高、成本低、不易燃、操作要求低等优点。但是由于其热力学稳定电位窗口较低(1.23V)，导致水系电解质的工作电位窗口也相应较低(≤1.0V)。同时水在低温环境下易结冰和高温环境下易挥发的特点导致水系电解质的工作温度范围较窄。这两大挑战，阻碍了高性能水系超级电容器的发展。因此，增大水系电解液的工作电位窗口和工作温度范围是水系超级电容器向产业化发展的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法。首先使用在水中具有高溶解度的盐配制成水溶液，混合均匀形成“盐包水”结构溶液A。然后选择具有良好界面稳定性的无水有机溶剂，按一定比例加入上述配制的溶液中，混合均匀形成均一溶液B。调节无水有机溶剂与水的比例后，继续向体系中加入在水中具有高溶解度的盐，混合均匀形成均一溶液C。高浓度的盐扩大了电解液的工作电位窗口，也使电解液在高温下工作稳定，而无水有机溶剂与水形成氢键，阻止了水分子之间氢键的形成，从而使得电解液的凝固点明显降低，拓宽其低温工作温度范围。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：使用在水中具有高溶解度的盐配制成水溶液，混合均匀形成“盐包水”结构溶液A；

步骤2：将无水有机溶剂加入步骤1配制的溶液A中混合均匀，形成均一溶液B；

步骤3：向溶液B中加入在水中具有高溶解度的盐，混合均匀形成若干不同浓度的具有高工作电压、宽工作温度区间的水系电解液C。

本发明进一步的改进在于，步骤1中所述在水中具有高溶解度的盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸钠、氯化锌、硝酸锂和硝酸钠中的一种或多种的组合。

本发明进一步的改进在于，步骤2中所述无水有机溶剂为无水乙腈、无水二甲基甲酰胺、无水乙醇、无水二甲亚砜和无水碳酸二甲酯中的一种或多种的组合。

本发明进一步的改进在于，步骤2中所述无水有机溶剂在总溶剂中的质量分数为0-100％之间任一比例。

本发明进一步的改进在于，步骤3中所述在水中具有高溶解度的盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸钠、氯化锌、硝酸锂和硝酸钠中的一种或多种的组合。

本发明进一步的改进在于，步骤3中所述在水中具有高溶解度的盐的添加量为大于等于0克的任一值。

本发明进一步的改进在于，使用该电解液的超级电容器能在电压～2.4V和温度区间-40-90℃稳定运行。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明水系电解液制备方法简单巧妙，相较于传统水系电解液具有更高的工作电压、更宽工作温度区间以及优异的电化学性能，并且绿色环保、易规模化。

本发明利用高浓度的盐与水分子的配位作用，降低水分子的活性，从而达到扩大电解液的工作电位窗口以及电解液在高温下稳定工作的目的，方法简单有效。

本发明利用无水有机溶剂与水分子之间的氢键作用，通过向体系中引入适量无水有机溶剂，阻止水分子之间氢键的形成，从而使得电解液的凝固点明显降低，赋予了电解液低温性能。

通过调节电解液中水、无水有机溶剂和盐三者间的不同比例，使所制备的一系列电解液能够满足不同工作电压和工作环境温度的要求。

由于无水有机溶剂通常具有比盐明显更低的价格，本发明中无水有机溶剂的引入降低了整体电解液的成本。

附图说明

图1为本发明实施例1所配制的电解液实物图，本实例中选用的盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂；

图2为实施例1-4所配制的电解液的电化学稳定窗口表征；

图3为实施例1的循环伏安曲线和恒流充放电曲线，其中图3(a)为实施例1的循环伏安曲线，图3(b)为实施例1的恒流充放电曲线；

图4为实施例4的循环稳定性表征；

图5为实施例1的低温电化学性能表征及低温(-65℃)流动性测试；其中图5(a)为实施例1在不同低温环境下的循环伏安曲线，图5(b)为实施例1在不同低温环境下的恒流充放电曲线，图5(c)为实施例1在-65℃下的流动性测试；

图6为实施例4的高温电化学性能表征，其中图6(a)为实施例4在90℃下的循环伏安曲线，图6(b)为实施例4在不同高温环境下的恒流充放电曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种超级电容器高电压、宽温区水系电解液的制备方法，该方法具体步骤如下：

1、使用在水中具有高溶解度的盐配制成水溶液，混合均匀形成“盐包水”结构溶液A；

所述在水中具有高溶解度的盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸钠、氯化锌、硝酸锂和硝酸钠中的一种或多种的组合。配制的水溶液中盐的浓度为能形成盐包水体系的任一浓度。

2、按一定比例将无水有机溶剂加入步骤1配制的溶液中，混合均匀形成均一溶液B；

所述无水有机溶剂为无水乙腈、无水二甲基甲酰胺、无水乙醇、无水二甲亚砜、无水碳酸二甲酯等有机溶剂的一种或多种的组合，无水有机溶剂在总溶剂中的质量分数为0-100％之间任一比例。

3、确定无水有机溶剂与水的合适比例，继续向体系中继续加入适量在水中具有高溶解度的盐，混合均匀形成若干不同浓度的均一混合溶液。

所述在水中具有高溶解度的盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、高氯酸钠、氯化锌、硝酸锂和硝酸钠中的一种或多种的组合。所述在水中具有高溶解度的盐的添加量为大于等于0克的任一值。

图1为本发明实施例1所配制的水系电解液实物图，可以看出配制的水系电解液为无色透明的均一溶液，本实例中选用的盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂；

图2可看出配制的水系电解液电化学稳定窗口明显高于传统水系电解液(约1.23V)；

图3可看出配制的水系电解液具有明显的双电层电容器特征；

图4可看出配制的水系电解液具有良好的循环稳定性；

图5可看出配制的水系电解液具有良好的低温电化学性能，同时能够在-65℃下保持流动性；

图6可看出配制的水系电解液具有良好的高温电化学稳定性。

实施例1