[發明專利]一種有機體系的超級電容器或電容電池

有效

• 申請號: 201710386081.7
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN108962627B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 周建軍;胡志宇;劉鳳泉;李林;方芳
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: H01G11/56
• 分類號: H01G11/56
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞;牛艷玲

本發明公開了一種有機體系的超級電容器或電容電池，其包括凝膠電解液和/或固態電解質，所述凝膠電解液和/或固態電解質由可凝膠化體系制備得到的，所述可凝膠化體系包括如下組分，(a)鋰鹽，(b)醚類化合物；體系中可凝膠化的聚合物和/或可凝膠化的預聚物的質量百分含量小于等于1wt％；通過調節所述體系中鋰鹽、醚類化合物的組分含量和種類，可以制備得到強度可調、形成時間可調、轉變溫度可調，同時也具有可逆性的凝膠和/或固態電解質；所述制備方法簡單、反應條件溫和、反應周期短、產物收率高、制備成本低、易于實現工業化生產。

技術領域

本發明屬于凝膠電解液技術領域，具體涉及一種有機體系的超級電容器或電容電池。

背景技術

近年來，化石能源的過度消耗造成了能源危機和環境問題，大量的汽車尾氣排放造成全球變暖和霧霾天氣的日益加重，這些問題都嚴重影響了人類的生產生活。電能是一種清潔能源并且可以通過可充電電池實現循環使用，鋰電池由于具有高電壓平臺、高能量密度、循環壽命長以及低自放電等優勢，其不僅可以應用在便攜式電子設備，例如：數碼相機和便攜式計算機等設備中，而且在電動工具、電動車等方面也有著廣泛的應用，其中最為典型的是鋰離子電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等，然而這些鋰電池在快速充放電性能和使用壽命上遠不及超級電容器。超級電容器(Supercapacitor,Ultracapacitor)又叫電化學電容器(Electrochemical Capacitor,EC)，是一種電化學元件，通過極化電解質來儲能，且儲能的過程并不發生化學反應，始終是物理過程，因此性能穩定；這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次，其使用壽命得到了大大的延長；不僅如此，當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，因此存儲的電容量非常大。然而，單純的超級電容器雖然具有很高的功率密度，但能量密度仍有待進一步提高。通過研究發現，在電池兩端并聯大容量電容器能緩沖大電流對電池的沖擊，從而延長電池的循環壽命，由此電容型鋰離子電池便應運而生。后期，人們又采用內連接的方式，使每個電池材料顆粒都處于電容器的保護之中，由此產生電容電池的這一電子器件，其兼具有電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點。

按電解質類型分類，超級電容器可以分為水性體系超級電容器和有機體系超級電容器；水性體系的超級電容器多采用強酸性或強堿性作電解質，但其分解電壓較低，一般在1.2V，極大程度影響了器件的能量密度；有機體系的超級電容器則多采用可揮發性有機溶劑作電解質；同樣，電容電池的電解液也多為有機體系。然而，有機體系電解液帶來的諸如燃燒、爆炸等安全問題也制約其進一步的發展，有機體系的超級電容器及電容電池的安全問題主要涉及到液態有機電解液的揮發、泄露以及遇熱著火爆炸，電解液分解等問題。因此，揮發性電解液的泄露、電池可燃和過電勢分解等問題嚴重制約著超級電容器的安全性。

為了克服液態電解液的泄露和可燃等問題，無機固態電解質、聚合物固態電解質以及聚合物凝膠電解液等已經被廣泛研究，其中，無機固態電解質是一種含有無機超離子導電性的鋰鹽；聚合物固態電解質是聚合物和鋰鹽構成的具有導電性的固體，但是，目前報道的固態電解質的導電性均不好，這嚴重影響了制備得到的超級電容器的使用壽命。

聚合物凝膠電解液雖然具有較好的導電性，而且其多孔結構可以有效的抑制電解液的揮發和泄露，然而，目前報道的聚合凝膠電解液的制備都是從原料上引入高分子或者合成步驟比較復雜的小分子有機凝膠因子于常規電解液中，并且得到的聚合物凝膠電解液都需要在較高溫度下才能呈現流動狀態，在低溫下為凝膠態，這就使得注液時要采用高溫注液，增加了實驗操作的復雜性，另外，制備得到的聚合物凝膠電解液的轉變溫度也都相對比較低，凝膠狀態比較容易被破壞，一旦凝膠被破壞后，無法再次利用，大大增加了成本。

發明內容