[发明专利]一种超低温高容量超级电容器的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种超低温高容量超级电容器的制备方法，所采用的电极材料是微孔和中孔复合的多孔碳材料，比表面积大于2500m²/g，微孔大于0.8nm，中孔2‑3.0nm，微孔占比大于70％。超级电容器的电解液采用1，3‑二氧戊环(或甲酸甲酯MF，或两者混合)/乙腈混合溶剂，溶解四氟硼酸螺环季铵盐SBP‑BF4。基于上述电极材料，配合上述电解液制成的超级电容器能够在‑100℃，>1A/g的电流密度时，质量比电容>150F/g，体积比电容>80F/cm³。

技术领域

本发明属于超容技术领域，尤其涉及一种能够保证在超低温环境下具有优越性能的超级电容器的制备方法。

背景技术

低温工作环境、如高海拔、极寒地区、航空航天等领域，对储能器件提出了更高的要求。一般而言,锂离子电池具有很高的能量储存能力。然而，工作温度的降低严重降低了电解质电导率，大幅增加了离子穿过固体电解界面的电阻，限制锂离子电池的工作温度，通常锂离子能正常工作的最低温度为-20℃(3、4)。超级电容器相对锂离子电池，工作温度虽然有所减低，但仍然受到限制。采用常规的(乙腈(ACN)或碳酸丙烯酯(PC)溶剂，工作温度分别可低至-45℃和-25℃。通过电解液(如混合溶剂，在溶剂中添加不同的盐)的改性，主要是降低溶剂的凝固点从而缓解由于温度下降导致导电性急剧下降。例如，与利用纯ACN溶剂的电容器相比，采用ACN/1,3-二氧烷(DIOX)的1:1混合溶剂的电容器工作温度可低至-70℃。即便如此，在较低的温度下，电容器的电容和倍率性能都比室温低得多。对于碳材料而言，尽管碳纳米管或碳洋葱作为活性材料可以在低温下极大地提高超电容的性能，但其质量比电容和体积容量过低，不能用于商业用途。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中超级电容器在超低温环境下充放电性能不佳的技术难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种超低温高容量超级电容器，该超级电容器以微孔和中孔复合的多孔碳材料为电极材料，以混合溶剂溶解四氟硼酸螺环季铵盐(SBP-BF4)为电解液，其中，所述复合多孔碳材料比表面积大于2500m²/g，微孔大于0.8nm，中孔2-3.0nm，微孔占比大于70％；所述超级电容器在-100℃，>1A/g的电流密度时，质量比电容>150F/g，体积比电容>80F/cm³。

其中，所述多孔碳材料的制备方法为：

将干燥的生物质碳放置在管式炉中氩气存在的条件下，经过≧100℃/min的升温速度升温至400-500℃并保温半小时进行快速碳化，待管式炉降至室温，取出碳化产物，与氢氧化钾混合后在研钵中研磨20min至碳材料与氢氧化钾混合均匀，将混合材料放置在管式炉中氩气存在的条件下800℃活化，待管式炉降至室温，取出活化产物用盐酸酸洗，再水洗至中性得到复合多孔碳，其中，碳化产物与KOH的质量比为1:3。

所述混合溶剂为1，3-二氧戊环/乙腈，甲酸甲酯/乙腈，或1，3-二氧戊环与甲酸甲酯的混合物/乙腈；其中，1，3-二氧戊环、甲酸甲酯或1，3-二氧戊环与甲酸甲酯的混合物与乙腈的体积比大于2。

微孔的特定大小解除了溶剂化离子低温下脱溶剂的限制，中孔的特定大小保证了离子在多孔碳中的快速传输通道。微孔和中孔的比例，以及多孔碳比表面积保证了电容器的高容量，同时也兼顾到了电解液中离子的传输和多孔碳的表面上的离子吸附速率的平衡。再配合混合溶剂溶解的四氟硼酸螺环季铵盐(SBP-BF4)作为电解液，实现-100℃下工作的高性能超级电容器。

本发明还提供了一种超低温高容量超级电容器的制备方法，具体工艺步骤包括：

(1)超级电容器电极片的制备：将复合多孔碳材料与导电剂、粘结剂在研钵中混合研磨20min至材料混合均匀，加入适量溶剂继续研磨，保证浆料混合均匀，且浆料可涂覆并不自流延；将浆料通过刮涂刀涂覆在涂炭铝箔上制成电极片。