[發明專利]一種用于高電壓超級電容器的電解液及其制備方法

有效

• 申請號: 201210552191.3
• 申請日: 2012-12-18
• 公開（公告）號: CN103021676A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 騫偉中;孔垂巖;崔超婕;余云濤;魏飛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G11/64
• 分類號: H01G11/64;H01G11/84
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

技術領域

本發明屬于超級電容器技術領域，特別涉及一種用于高電壓超級電容器的電解液及其制備方法。

背景技術

超級電容器是一種利用電化學的電容原理儲能的設備，具有功率密度高，使用壽命長的優點，可以用作不穩定電流的儲存（如風能與潮汐能），以及大型交通工具（如輪船或飛機）的備用照明電源，也可用作電池的調峰值功能使用。但與鋰離子電池相比，超級電容器的能量密度比較低，在一些比如體積小，重量級的交通工具與移動電子設備方面的應用受到限制。

超級電容器主要由電極材料、電解液、隔膜與集體流及包裝殼體等構成，雖然電極材料是產生電容的唯一物質，但其必須在一定的電解液中，在一定電壓下由電解液中的離子擴散到其表面，才能建立起電容性能。雖然電極材料的種類繁多，但電解液只有水性電解液（含KOH?或H₂SO₄），有機電解液（如四氟硼酸四乙基銨、3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽、雙三氟甲基磺酰?1-乙基-3-甲基咪唑等溶解在碳酸丙烯酯或乙腈中）或離子液體（如N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽，四氟硼酸四乙基銨、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽，二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽等）三大類。其中水性電解液的電導率最高，但僅能在1V左右的電壓下工作，無法獲得高的能量密度。有機電解液可以在3-4V的電壓下工作，而離子液體型電解液可以在3-6V下工作，理論上可以獲得更高的能量密度。然而，有機電解液與離子液體型電解液的電導率均顯著低于水性電解液，內阻大不但不利于獲得更高的功率密度，而且無法獲得良好的循環壽命。這些缺點影響到了其商業化應用與放大。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出了一種用于高電壓超級電容器的電解液及其制備方法。

一種用于高電壓超級電容器的電解液，由傳統電解液與碳納米材料組成，其中碳納米材料的質量分數為0.01%-1%。

所述的傳統電解液為有機電解液或離子液體；

所述的有機電解液包括但不限于四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯，3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯，雙三氟甲基磺酰?1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯，四氟硼酸四乙基銨/乙腈，3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽/乙腈，雙三氟甲基磺酰?1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈；

所述的離子液體包括但不限于四氟硼酸四乙基銨，N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽，N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽，二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的一種或多種；

所述的碳納米材料為：碳納米管、納米石墨和納米碳顆粒中的一種或多種；其中所述的碳納米管的直徑為0.4-100?nm，長度為20nm-100μm；所述的納米石墨的厚度為0.34nm-100nm，最大尺寸為100μm；所述的納米碳顆粒的直徑為0.7nm-100nm。

一種用于高電壓超級電容器的電解液的制備方法，步驟如下：

在含氧量為0.1-1?PPM、含水量為0.1-1?PPM的環境中，將碳納米管、納米石墨或納米碳顆粒中的一種或多種在20-60℃、功率為30-3000W的條件下超聲2-50小時或在20-60℃條件下以300-40000轉/分的轉速攪拌2-50小時，使之分散在傳統電解液中；然后靜置于常溫下、在與水和氧隔絕的環境下密封保存。

本發明的有益效果為：

本發明提出的用于高電壓超級電容器的電解液導電率為傳統電解液的1.3-2倍；使用的電壓窗口與所用的傳統電解液相同；與使用相對應的傳統電解液的電容器相比，使以碳材料（如碳納米管，納米石墨，活性碳，納米碳顆粒中的一種或多種，或添加聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯粘接劑的上述電極材料）為電極材料的超級電容器比電容或功率密度增加20-200%，使用的功率密度范圍提高50-100%，循環壽命提高50-200%；

在填加少量碳納米材料的前提下，電導率大幅度提高，因而電容器的比電容、能量密度、功率密度與循環壽命大幅度提高；在制備成本增長不太大的情況下，使電容器的可用年限大幅度提高，相當于節省了成本；