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CN107887176A - 一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器 - Google Patents

一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器，该有机电解液包括有机电解质、质子惰性溶剂和添加剂，其中有机电解质的阳离子为N,N‑二甲基吡咯烷阳离子，阴离子为四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、双(三氟甲基磺酰)根离子、双(氟磺酰)根离子中的至少一种；添加剂选自如下(1)式所示的化合物中的至少一种：其中，R1～R6中有1～3个为含氟的烷基或氟；其余的为含1～5个碳原子的烷基或氢。本发明的有机电解液具有良好的浸润性，具有电导率高、分解电压高的优势。

Description

一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器
技术领域
本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种用于超级电容器的有机电解液及使用该有机电解液的超级电容器。
背景技术
超级电容器，也称作金电容、电化学电容器，采用离子吸附(双电层电容器)或者表面快速氧化还原反应(赝电容器)来存储能量。超级电容器是一种介于电池与传统静电电容器之间的新型储能器件。超级电容器存储的电荷是传统固态电解电容的成百或上千倍，能在数秒内完全充放电，具有比电池更高的功率输入和输出，且能在更短的时间内达到。同时，超级电容器具有充放电时间短、储存寿命长、稳定性高、工作温度范围宽(-40℃～70℃)等优点，因而广泛应用于消费类电子产品领域、新能源发电系统领域、分布式储能系统领域、智能分布式电网系统领域、新能源汽车等交通领域、节能电梯吊车等负载领域、电磁炸弹等军用设备领域和运动控制领域等，涉及新能源发电、智能电网、新能源汽车、节能建筑、工业节能减排等各个行业，属于标准的全系列低碳经济核心产品。
超级电容器作为新能源领域中最具有前景的储能装置之一，目前已成为美国、日本、韩国和俄罗斯等国家在材料、电力、物理、化学等多学科交叉领域研究的热点之一。主要研究目标是制备性能优良和低成本电极材料；和电导率高、化学和热稳定性好、工作电压高(电化学稳定窗口宽)的电解液体系材料，并在此基础上制备高能量密度、高功率密度和使用寿命长的可用于各种电动混合汽车混合动力系统和电子设备的后备电源等方面的超级电容器储能器件。
由于碳酸丙烯酯和乙腈具有较好的电化学和化学稳定性以及对有机季铵盐类较好的溶解性，被广泛应用于超级电容器的电解液体系中。目前商业化的超级电容器电解液主要采用四乙基四氟硼酸铵(Et4NBF4)或甲基三乙基四氟硼酸铵(Et3MeNBF4)的乙腈(AN)或碳酸丙烯酯(PC)的溶液。AN体系超级电容器的电压上限仅为2.7V，工作温度范围为-40℃～65℃；PC体系超级电容器的电压上限仅为2.5V，工作温度范围为-40℃～70℃。随着超容市场的发展，为了安全起见和增加市场竞争能力，目前的常规电解液已经不能满足客户对超级电容器的耐高温、耐高压性能的要求。常规电解液在高电压、高温下工作会引起电解液的电化学分解，导致电容器内压力显著增大，电化学性能明显降低，最终导致电容器失效。因此环丁砜正逐步应用于超级电容器的电解液体系中，但是环丁砜的凝固点高，在室温下难以使用，且单独使用环丁砜的电解液在-20℃时凝固，用其制备的超级电容器-20℃不具备充放电性能。
电解液的浸润性是超级电容器的制备工艺过程中影响电芯含浸质量的关键因素。目前商业化常用的溶剂体系为AN体系、PC体系、环丁砜体系及它们的混合体系。由于AN的粘度小，AN体系电解液一般不会出现含浸困难的问题；PC体系电解液的粘度比AN体系大，因此PC体系电解液的含浸时间一般长于AN体系。而环丁砜体系电解液的粘度明显增加，可以达到PC体系电解液的3-5倍，因此含浸问题特别明显。通常情况下，采用抽真空的工艺，能明显缩短电芯的含浸时间，但是长时间抽真空工艺，就有电解液成分变化大及电解液水分指标超标的顾虑，因此超级电容器制造厂家希望通过改善电解液本身特性导致的含浸困难问题。
为了追求3.0V及以上高电压，我们发现N,N-二甲基吡咯烷阳离子电解质盐的高电压性能极好(详见专利104979102A)，但是含有N,N-二甲基吡咯烷阳离子电解质盐的电解液仍存在浸润性差的问题。
发明内容
本发明提供一种用于超级电容器的有机电解液，其中含有能改善电解液浸润性的添加剂，具有电导率高、分解电压高的优势，还提供一种使用该有机电解液的超级电容器。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种用于超级电容器的有机电解液，包括有机电解质、质子惰性溶剂和添加剂，上述有机电解质的阳离子为N,N-二甲基吡咯烷阳离子；
上述有机电解质的阴离子为四氟硼酸根离子(BF4 -)、六氟磷酸根离子(PF6 -)、双(三氟甲基磺酰)根离子(CF3SO2)2 -、双(氟磺酰)根离子中的至少一种；
上述添加剂选自如下(1)式所示的化合物中的至少一种：
其中，R1～R6中有1～3个为含氟的烷基或氟；其余的为含1～5个碳原子的烷基或氢。
作为进一步改进的方案，上述添加剂占上述有机电解液总质量的0.1wt％～3wt％。
作为进一步改进的方案，上述有机电解液中有机电解质的浓度为0.5～3.0mol/L，
作为进一步改进的方案，上述有机电解液中有机电解质的浓度为0.8～2mol/L。
作为进一步改进的方案，上述添加剂为氟苯、1,2,3-三氟苯中的至少一种。
作为进一步改进的方案，上述质子惰性溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、环丁砜、二甲基砜、二甲基亚砜、γ-丁内酯、丙腈、甲氧基丙腈、γ-戊内酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的一种或两种以上的混合物。
作为进一步改进的方案，上述质子惰性溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、环丁砜和二甲基砜的混合物、环丁砜和乙腈的混合物、或环丁砜和碳酸甲乙酯的混合物。
根据本发明的第二方面，本发明提供一种超级电容器，包括正极、负极、介于上述正极和负极间的隔膜和有机电解液，该有机电解液是如第一方面的有机电解液。
作为进一步改进的方案，上述超级电容器的工作电压是2.7V以上。
作为进一步改进的方案，上述正极和负极为碳材料电极，上述隔膜为纤维素隔膜纸。
本发明的有机电解液，选择适当的添加剂和电解质，电解液的粘度低，尤其低温下粘度低，表面张力小，对石墨的接触角小，浸润性好，电芯吸液量快，吸液量多，且能在3.0V高电压下使用，具有高的功率密度、能量密度和良好的循环寿命，和高低温性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明的有机电解液包括有机电解质、质子惰性溶剂和添加剂，其中有机电解质的阳离子为N,N-二甲基吡咯烷阳离子，其结构如下式所示：
有机电解质的阴离子为四氟硼酸根离子(BF4 -)、六氟磷酸根离子(PF6 -)、双(三氟甲基磺酰)根离子(CF3SO2)2 -、双(氟磺酰)根离子中的至少一种。需要说明的是，(1)式所示的阳离子可以与上述任一阴离子配合形成本发明的有机电解质，在有机电解液体系中，可以含有多种阴离子混合形式的有机电解质。
有机电解液中有机电解质的浓度在0.5～3.0mol/L范围内效果较好，优选的是，有机电解质的浓度为0.8～2mol/L。
添加剂选自如下(1)式所示的化合物中的至少一种：
其中，R1～R6中有1～3个为含氟的烷基或氟；其余的为含1～5个碳原子的烷基或氢，由于碳链越长，空间位阻越大，不利于离子的迁移。需要说明的是，(1)式所示的化合物包括多种具体的化合物，这些化合物可以单独用于本发明的有机电解液中，也可以以组合形式用于本发明的有机电解液中。在本发明的一些实施例中，添加剂具体是氟苯或1,2,3-三氟苯。添加剂的用量一般占有机电解液总质量的0.1wt％～3wt％能取得较好的效果，含量太低，浸润性下降；含量太高，会影响电容器的高低温性能。
本发明中，质子惰性溶剂可以选自乙腈、碳酸丙烯酯、环丁砜、二甲基砜、二甲基亚砜、γ-丁内酯、丙腈、甲氧基丙腈、γ-戊内酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的一种或两种以上的混合物。在本发明的一些实施例中，质子惰性溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、环丁砜和二甲基砜的混合物、环丁砜和乙腈的混合物、或环丁砜和碳酸甲乙酯的混合物。
采用本发明的有机电解液制备的超级电容器，包括正极、负极、介于正极和负极间的隔膜和有机电解液，归功于本发明的有机电解液的性能优势，本发明的超级电容器的工作电压能够达到2.7V以上，并且具有高的功率密度、能量密度和良好的循环寿命，且能改善超级电容器的高低温性能。
以下通过具体实施例对本发明进行详细描述。应当理解，这些实施例仅是示例性的，并不构成对本发明保护范围的限制。
以下实施例中，超级电容器模型的制作方法如下：
在手套箱中组立超级电容器模型：电芯包括铝箔制作的两集电极、由活性炭制作的两工作电极和在其间插入的纤维布隔膜，需要说明的是，本发明并不局限于此种结构。将电芯浸入以下对比例和实施例中的电解液中，采用铝壳和胶粒组立封口。
超级电容器测试过程如下：
(1)预循环(10次)：25℃，充电截止电压U、恒定电流10mA/F进行充电；然后按下限电压U/2，恒定电流10mA/F进行放电。
(2)65℃～85℃高温箱中，恒定电流10mA/F充电至上限电压U，恒压(U)一定时间；取出超级电容器并冷却至25℃，再进行充放电测试，测试条件同预循环，并计算超级电容器的容量保持率、ESR增长率。
(3)以容量保持率≤60％，和(或)ESR增长率≥100％时，作为超容寿命的判断标准。
(4)高低温箱中，在工作温度范围-50℃～20℃下，每间隔10℃恒温一定时间后，进行充放电测试，测试条件同预循环，并计算超级电容器的容量和ESR。
超级电容器电芯吸液测试过程如下：
采用吸液量测试系统进行测试(利用电芯在吸液过程中重力、浮力和拉力三者相互关系的原理)，电芯型号为Φ15*30。将电解液瞬间浸没电芯，吸液量系统自动输出电芯吸液量。此吸液量为极片活性物质和隔膜的吸液量，不包含卷绕空间的吸附量。
接触角测试过程如下：
采用石墨片作为电解液接触角测试的载体，使用接触角测试仪测试。
实施例1
以N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸铵为溶质，乙腈(AN)为溶剂，配制1.0mol/L电解液，再加入按电解液总质量计为1％的氟苯，电解液组成列于表1中，电芯饱和吸液时间和吸液质量列于表1中，并测定电解液的接触角和其在25℃时的电导率，结果分别列于表1中。用该电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命、容量和ESR测试结果分别列于表1中。
实施例2-8
除了电解液的溶质、溶剂、添加剂及浓度与实施例1不同以外，其他都一样。各实施例的电解液的溶质、溶剂、添加剂及浓度组成列于表1-4中，电芯饱和吸液时间和吸液质量列于表1-4中，并测定电解液的接触角和其在25℃时的电导率，结果分别列于表1-4中。用这些电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命、容量和ESR测试结果分别列于表1-4中。
对比例1
以四乙基四氟硼酸铵为溶质，AN为溶剂，配制1.0mol/L电解液，电解液组成列于表1中，电芯饱和吸液时间和吸液质量列于表1中，并测定电解液的接触角和其在25℃时的电导率，结果分别列于表1中。用该电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命、容量和ESR测试结果分别列于表1中。
对比例2-8
除了电解液的溶质、溶剂、添加剂及浓度与对比例1不同以外，其他都一样。各对比例的电解液的溶质、溶剂、添加剂及浓度组成列于表1-4中，电芯饱和吸液时间和吸液质量列于表1-4中，并测定电解液的接触角和其在25℃时的电导率，结果分别列于表1-4中。用这些电解液制作超级电容器并对其进行电化学性能测试，寿命、容量和ESR测试结果分别列于表1-4中。
表1AN体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
表1(续)AN体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
AN体系电解液：与对比例相比，实施例接触角小，吸液时间短，吸液量大，低温性能好，并具有很好的高温高电压循环寿命。
表2碳酸丙烯酯体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
表2(续)碳酸丙烯酯体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
碳酸丙烯酯体系电解液：与对比例相比，实施例接触角小，吸液时间短，吸液量大，低温性能好，并具有很好的高温高电压循环寿命。
表3γ-丁内酯体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
表3(续)γ-丁内酯体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
γ-丁内酯体系电解液：与对比例相比，实施例接触角小，吸液时间短，吸液量大，低温性能好，并具有很好的高温高电压循环寿命。
表4环丁砜与碳酸甲乙酯混合溶剂体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
表4(续)环丁砜与碳酸甲乙酯混合溶剂体系各实施例、对比例所述电解液的溶质、溶剂及浓度组成、电解液25℃电导率数据及电容器容量、ESR和寿命数据
环丁砜与碳酸甲乙酯混合溶剂体系电解液：与对比例相比，实施例接触角小，吸液时间短，吸液量大，低温性能好，并具有很好的高温高电压循环寿命。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于超级电容器的有机电解液，包括有机电解质、质子惰性溶剂和添加剂，其特征在于，所述有机电解质的阳离子为N,N-二甲基吡咯烷阳离子，
所述有机电解质的阴离子为四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、双(三氟甲基磺酰)根离子、双(氟磺酰)根离子中的至少一种；
所述添加剂选自如下(1)式所示的化合物中的至少一种：
其中，R1～R6中有1～3个为含氟的烷基或氟；其余的为含1～5个碳原子的烷基或氢。
2.根据权利要求1所述的有机电解液，其特征在于，所述添加剂占所述有机电解液总质量的0.1wt％～3wt％。
3.根据权利要求1所述的有机电解液，其特征在于，所述有机电解液中有机电解质的浓度为0.5～3.0mol/L。
4.根据权利要求3所述的有机电解液，其特征在于，所述有机电解液中有机电解质的浓度为0.8～2mol/L。
5.根据权利要求1-4任一项所述的有机电解液，其特征在于，所述添加剂为氟苯、1,2,3-三氟苯中的至少一种。
6.根据权利要求1-4任一项所述的有机电解液，其特征在于，所述质子惰性溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、环丁砜、二甲基砜、二甲基亚砜、γ-丁内酯、丙腈、甲氧基丙腈、γ-戊内酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求6所述的有机电解液，其特征在于，所述质子惰性溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、环丁砜和二甲基砜的混合物、环丁砜和乙腈的混合物、或环丁砜和碳酸甲乙酯的混合物。
8.一种超级电容器，包括正极、负极、介于所述正极和负极间的隔膜和有机电解液，其特征在于，所述有机电解液是如权利要求1-7任一项所述的有机电解液。
9.根据权利要求8所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器的工作电压是2.7V以上。
10.根据权利要求8或9所述的超级电容器，其特征在于，所述正极和负极为碳材料电极，所述隔膜为纤维素隔膜纸。
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