[發明專利]快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法

在審

• 申請號: 202211147531.4
• 申請日: 2022-09-19
• 公開（公告）號: CN115527620A
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 練成;王思潔;程錦;劉洪來
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/30
• 代理公司: 上海申浩律師事務所 31280
• 代理人: 趙建敏

本發明公開了快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法，包括如下步驟：(1)采用量子密度泛函理論方法進行離子液體的電化學電位窗口的理論分析，確定最適合實際應用的室溫離子液體(RTIL)的實驗工作量；(2)估算離子液體的陽極極限和陰極極限，通過LUMO估算每個陰離子或陽離子的陰極極限，通過HOMO估算每個陰離子或陽離子的計算陽極極限；(3)由陰極極限和陽極極限之間的差值確定EDLC電化學窗口；(4)由計算結果評估陰離子和陽離子所組成的RTIL的電化學穩定性。本發明方法大大降低了電化學窗口的計算成本，對不同的離子對只需要(M+N)而非(M×N)，其具有優越而準確的計算效率，可以為今后合理選擇離子液體進行實驗研究提供方便。

技術領域

本發明屬于超級電容器技術領域，涉及對大電化學窗口電壓離子液體電解液的快速篩選，具體涉及一種快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法。

背景技術

超級電容器，又稱雙電層電容器，是介于傳統物理電容器和電池之間的一種較佳的儲能元件，既有化學電池的高比能量也有傳統物理電容器的高比功率的優點。雙電層電容器的基本原理是利用帶電多孔電極材料吸附電解質中的離子，正極和負極的多孔電極材料微孔表面分別吸附相反電荷的離子，在電極/電解質界面形成雙電層來存儲能量。與普通電容器相比，超級電容器的功率密度和生命周期等都有很大的提升。

當前超級電容器的研究發展主要集中在提升產品的能量密度以及降低生產成本兩個方面。根據超級電容器的能量密度E＝CU²/2(其中U為電容器的工作電壓，C為電容器的電容)，可以從提高超級電容器的工作電壓和電容兩個方面來提升超級電容器的能量密度，其中工作電壓與電解質的電化學窗口電壓(平衡分解電壓)有關，而電容不僅與電極材料及其結構有關，還與電解質相關，因此通過改變電極材料以及電解質兩個方面可以提高超級電容器的工作電壓和電容。

電極材料是決定超級電容器性能的關鍵因素。超級電容器的電極材料主要有具有雙電層電容的碳材料、具有法拉第贗電容的金屬氧化物和導電聚合物以及結合雙電層和準電容的碳基復合材料四種。不同結構和種類的材料其電化學性能不同。

超級電容器的工作電壓很大程度上取決于電解質的種類。對于水溶液來說，電化學窗口U在1V以下；對于有機溶劑電解質U在2.5-3.0V；而離子液體的穩定電壓更高，可以達到5V以上，利用離子液體作為電解質可以極大地提高工作電壓。除此之外，離子液體還具有出色的熱穩定性和極小的揮發性，故離子液體成為超級電容器最常見的電解質。超級電容器的電容以及其他電化學性質主要是由電極-電解質表界面結構決定。

具有大電化學窗口(EPW)的離子液體將更有利于提高超級電容器的性能。離子液體的電化學窗口由其所包含的陽離子和陰離子決定，因此電化學窗口就取決于離子對的組合。然而由于離子種類的數量龐大，離子之間相互組合的方式也十分復雜，通過實驗的方式獲得具有大電化學窗口的離子液體是不切實際的，通過理論分析將會大大減少選擇所需離子液體的實驗工作。

發明內容

本發明為解決上述技術問題進行，應用CDFT研究對大電化學窗口電壓離子液體電解液的快速篩選、離子結構和大小等因素對微分電容的影響等進行了深入研究，提出了一種能夠快速進行高通量電解液篩選的方法，為實驗開發更高能量密度的超級電容器提供理論指導。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

本發明提供的快速預測超級電容器所使用離子液體電化學窗口的方法主要步驟如下：

S1，采用量子密度泛函理論(Quantal Density Functional Theory,QDFT)方法進行離子液體的電化學電位窗口(Electrochemical Potential Window,EPW)的理論分析，以減少確定最適合實際應用的室溫離子液體(RTIL)的實驗工作量。