[发明专利]一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器，该有机电解液包括有机电解质、质子惰性溶剂和添加剂，其中有机电解质的阳离子为N,N‑二甲基吡咯烷阳离子，阴离子为四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、双(三氟甲基磺酰)根离子、双(氟磺酰)根离子中的至少一种；添加剂选自如下(1)式所示的化合物中的至少一种：其中，R₁～R₆中有1～3个为含氟的烷基或氟；其余的为含1～5个碳原子的烷基或氢。本发明的有机电解液具有良好的浸润性，具有电导率高、分解电压高的优势。

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种用于超级电容器的有机电解液及使用该有机电解液的超级电容器。

背景技术

超级电容器，也称作金电容、电化学电容器，采用离子吸附(双电层电容器)或者表面快速氧化还原反应(赝电容器)来存储能量。超级电容器是一种介于电池与传统静电电容器之间的新型储能器件。超级电容器存储的电荷是传统固态电解电容的成百或上千倍，能在数秒内完全充放电，具有比电池更高的功率输入和输出，且能在更短的时间内达到。同时，超级电容器具有充放电时间短、储存寿命长、稳定性高、工作温度范围宽(-40℃～70℃)等优点，因而广泛应用于消费类电子产品领域、新能源发电系统领域、分布式储能系统领域、智能分布式电网系统领域、新能源汽车等交通领域、节能电梯吊车等负载领域、电磁炸弹等军用设备领域和运动控制领域等，涉及新能源发电、智能电网、新能源汽车、节能建筑、工业节能减排等各个行业，属于标准的全系列低碳经济核心产品。

超级电容器作为新能源领域中最具有前景的储能装置之一，目前已成为美国、日本、韩国和俄罗斯等国家在材料、电力、物理、化学等多学科交叉领域研究的热点之一。主要研究目标是制备性能优良和低成本电极材料；和电导率高、化学和热稳定性好、工作电压高(电化学稳定窗口宽)的电解液体系材料，并在此基础上制备高能量密度、高功率密度和使用寿命长的可用于各种电动混合汽车混合动力系统和电子设备的后备电源等方面的超级电容器储能器件。

由于碳酸丙烯酯和乙腈具有较好的电化学和化学稳定性以及对有机季铵盐类较好的溶解性，被广泛应用于超级电容器的电解液体系中。目前商业化的超级电容器电解液主要采用四乙基四氟硼酸铵(Et₄NBF₄)或甲基三乙基四氟硼酸铵(Et₃MeNBF₄)的乙腈(AN)或碳酸丙烯酯(PC)的溶液。AN体系超级电容器的电压上限仅为2.7V，工作温度范围为-40℃～65℃；PC体系超级电容器的电压上限仅为2.5V，工作温度范围为-40℃～70℃。随着超容市场的发展，为了安全起见和增加市场竞争能力，目前的常规电解液已经不能满足客户对超级电容器的耐高温、耐高压性能的要求。常规电解液在高电压、高温下工作会引起电解液的电化学分解，导致电容器内压力显著增大，电化学性能明显降低，最终导致电容器失效。因此环丁砜正逐步应用于超级电容器的电解液体系中，但是环丁砜的凝固点高，在室温下难以使用，且单独使用环丁砜的电解液在-20℃时凝固，用其制备的超级电容器-20℃不具备充放电性能。

电解液的浸润性是超级电容器的制备工艺过程中影响电芯含浸质量的关键因素。目前商业化常用的溶剂体系为AN体系、PC体系、环丁砜体系及它们的混合体系。由于AN的粘度小，AN体系电解液一般不会出现含浸困难的问题；PC体系电解液的粘度比AN体系大，因此PC体系电解液的含浸时间一般长于AN体系。而环丁砜体系电解液的粘度明显增加，可以达到PC体系电解液的3-5倍，因此含浸问题特别明显。通常情况下，采用抽真空的工艺，能明显缩短电芯的含浸时间，但是长时间抽真空工艺，就有电解液成分变化大及电解液水分指标超标的顾虑，因此超级电容器制造厂家希望通过改善电解液本身特性导致的含浸困难问题。

为了追求3.0V及以上高电压，我们发现N,N-二甲基吡咯烷阳离子电解质盐的高电压性能极好(详见专利104979102A)，但是含有N,N-二甲基吡咯烷阳离子电解质盐的电解液仍存在浸润性差的问题。

发明内容