[发明专利]一种用于高电压超级电容器的电解液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，特别涉及一种用于高电压超级电容器的电解液及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种利用电化学的电容原理储能的设备，具有功率密度高，使用寿命长的优点，可以用作不稳定电流的储存（如风能与潮汐能），以及大型交通工具（如轮船或飞机）的备用照明电源，也可用作电池的调峰值功能使用。但与锂离子电池相比，超级电容器的能量密度比较低，在一些比如体积小，重量级的交通工具与移动电子设备方面的应用受到限制。

超级电容器主要由电极材料、电解液、隔膜与集体流及包装壳体等构成，虽然电极材料是产生电容的唯一物质，但其必须在一定的电解液中，在一定电压下由电解液中的离子扩散到其表面，才能建立起电容性能。虽然电极材料的种类繁多，但电解液只有水性电解液（含KOH 或H₂SO₄），有机电解液（如四氟硼酸四乙基铵、3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐、双三氟甲基磺酰 1-乙基-3-甲基咪唑等溶解在碳酸丙烯酯或乙腈中）或离子液体（如N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐，四氟硼酸四乙基铵、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐，1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐，二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐，1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等）三大类。其中水性电解液的电导率最高，但仅能在1V左右的电压下工作，无法获得高的能量密度。有机电解液可以在3-4V的电压下工作，而离子液体型电解液可以在3-6V下工作，理论上可以获得更高的能量密度。然而，有机电解液与离子液体型电解液的电导率均显著低于水性电解液，内阻大不但不利于获得更高的功率密度，而且无法获得良好的循环寿命。这些缺点影响到了其商业化应用与放大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种用于高电压超级电容器的电解液及其制备方法。

一种用于高电压超级电容器的电解液，由传统电解液与碳纳米材料组成，其中碳纳米材料的质量分数为0.01%-1%。

所述的传统电解液为有机电解液或离子液体；

所述的有机电解液包括但不限于四氟硼酸四乙基铵/碳酸丙烯酯，3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐/碳酸丙烯酯，双三氟甲基磺酰 1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯，四氟硼酸四乙基铵/乙腈，3-乙基-1-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐/乙腈，双三氟甲基磺酰 1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈；

所述的离子液体包括但不限于四氟硼酸四乙基铵，N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐，N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐，1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐，二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐，1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种或多种；

所述的碳纳米材料为：碳纳米管、纳米石墨和纳米碳颗粒中的一种或多种；其中所述的碳纳米管的直径为0.4-100 nm，长度为20nm-100μm；所述的纳米石墨的厚度为0.34nm-100nm，最大尺寸为100μm；所述的纳米碳颗粒的直径为0.7nm-100nm。

一种用于高电压超级电容器的电解液的制备方法，步骤如下：

在含氧量为0.1-1 PPM、含水量为0.1-1 PPM的环境中，将碳纳米管、纳米石墨或纳米碳颗粒中的一种或多种在20-60℃、功率为30-3000W的条件下超声2-50小时或在20-60℃条件下以300-40000转/分的转速搅拌2-50小时，使之分散在传统电解液中；然后静置于常温下、在与水和氧隔绝的环境下密封保存。

本发明的有益效果为：

本发明提出的用于高电压超级电容器的电解液导电率为传统电解液的1.3-2倍；使用的电压窗口与所用的传统电解液相同；与使用相对应的传统电解液的电容器相比，使以碳材料（如碳纳米管，纳米石墨，活性碳，纳米碳颗粒中的一种或多种，或添加聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯粘接剂的上述电极材料）为电极材料的超级电容器比电容或功率密度增加20-200%，使用的功率密度范围提高50-100%，循环寿命提高50-200%；

在填加少量碳纳米材料的前提下，电导率大幅度提高，因而电容器的比电容、能量密度、功率密度与循环寿命大幅度提高；在制备成本增长不太大的情况下，使电容器的可用年限大幅度提高，相当于节省了成本；