[发明专利]高功率双电层电容器

说明书

技术领域

本发明涉及双电层电容器技术领域，特别是涉及一种工作电压为3V的高功率双电层电容器。

背景技术

电化学双电层电容器( EDLC) 是指具有远远超过传统电容器容量、利用双电层充放电原理的装置，一般正负极都采用同样的活性物质，如活性碳、碳纤维、碳布、碳气凝胶、碳纳米管、炭黑、石墨烯，作为电极活性物质，各自形成一个双电层，分别吸引电性相反的等量电荷。其特点是比电容大、比功率高、循环寿命长、使用温度范围宽和对环境友好，具有广阔的应用前景。因此电极材料是决定EDLC 性能的关键之一，其制备工艺和电化学性能已有大量的相关研究，而有关EDLC 体系的研究相对较少。

现有的EDLC 一般正、负极质量相等，而事实上正、负极在各自的极化区表现出不同的电化学行为，使正、负极比容量有较大的差异，因此存在着正、负极的匹配问题，即一定总量的炭在正、负极应如何分配，才使EDLC 的性能最优。

同时，虽然EDLC的容量相对于传统电容器大很多，循环寿命长、库仑效率高，但相对于锂离子电池，其比能量小、工作电压低。与无机电解液体系相比，有机电解液体系的工作电压与比能量较高，是EDLC 的发展趋势，如能进一步提高其工作电压，则可以使其比能量也大幅度增加。同时由于有机电解液的电导率小，约比无机电解液低两个数量级，影响了有机系EDLC的功率特性，因此如何在提高有机系EDLC的能量特性的同时保证其功率特性则是一个难点。

目前常用的电解液一般选用分解电压较高、介电常数较高和低温特性较好的乙腈作为溶剂，同时采用四乙基四氟硼酸胺盐或者三乙基一甲基四氟硼酸胺盐作为溶质，这种配方的电解液能取得良好的导电效果，但是由于乙腈的沸点较低（81℃），因此会影响EDLC的高温性能。而如果选用其他高温性能更好的溶剂，如碳酸丙烯酯PC，则会造成EDLC的内阻增大，使得双电层电容器EDLC的使用领域受到制约。

目前采用上述常用有机电解液体系的对称型EDLC的功率密度一般能达到5000-6000 W/Kg，但由于工作电压最高只有2.7V，当工作电压高于2.7V时，溶质四乙基四氟硼酸胺盐（Et₄NBF₄）会发生分解，因此能量密度偏低，只能达到3-5Wh/Kg，同时受电解液溶剂的制约，高温性能不佳。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工作电压为3V的高功率双电层电容器，提高双电层电容器的功率特性和高温性能。

本发明提出一种工作电压为3V的高功率双电层电容器，所述双电层电容器的电解液溶质为双丁环四氟硼酸铵，5-Azoniaspiro[4.4]nonane, tetrafluoroborate(1-)，分子式为C8H16N.BF4；有机电解液的溶剂由乙腈（CH₃CN）和高温稳定剂3-甲基环丁砜，分子式为C₅H₁₀O₂S组成；双电层电容器正负极活性物质的质量配比为1.1～1.3。

其中，所述双电层电容器正负极的活性物质为活性碳、碳纤维、碳布、碳气凝胶、碳纳米管、炭黑、石墨烯中的任一种或几种。 

较优地，所述正负极活性物质的质量配比为1.20。

优选地，所述正负极活性物质是碳纤维，正负极质量配比为1.15。

优选地，所述正负极活性物质是碳布，正负极质量配比为1.21。

优选地，所述正负极活性物质是碳气凝胶，正负极质量配比为1.22。

优选地，所述正负极活性物质是碳纳米管，正负极质量配比为1.17。

优选地，所述正负极活性物质是炭黑，正负极质量配比为1.25。

优选地，所述正负极活性物质是石墨烯，正负极质量配比为1.12。 

本发明双电层电容器采用高稳定性的单一溶质双丁环四氟硼酸铵5-Azoniaspiro[4.4]nonane, tetrafluoroborate (1-)，通过调节正负极活性物质之间的质量配比，提高双电层电容器的工作电压，工作电压可由传统的2.7V提高到3.0V，从而提高电容器的比能量和比功率，其比能量可到达8Wh/kg，比功率可达6000W/kg，循环寿命可达到120万次。同时，通过在电解液中添加高温稳定剂3-甲基环丁砜，提高双电层电容器的高温性能，使双电层电容器可成功应用于对温度要求比较高的新能源、航天、航空领域以及军事领域。

具体实施方式