[发明专利]一种含氟磺酰亚胺螺环季铵盐电解质、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种含氟磺酰亚胺螺环季铵盐电解质，具有如下结构：其中，n为1或2；Y^‑为N(SO₂F)₂^‑或N(SO₂CF₃)₂^‑、N(SO₂C₂F₅)₂^‑、N(SO₂F)(SO₂CF₃)^‑、N(SO₂OCH₂CF₃)₂^‑中的一种。本发明还公开了所述含氟磺酰亚胺螺环季铵盐电解质的制备方法及用于超级电容器电解液的用途。本发明的含氟磺酰亚胺螺环季铵盐电解质具有优异性能，用于超级电容器的电解液在超低温(‑40℃)的极端条件下表现出优异的电化学性能；本发明的制备方法符合绿色环保的要求。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种含氟磺酰亚胺螺环季铵盐电解质、其制备方法及用途。

背景技术

超级电容器又叫电化学电容器，是是一种介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。因此可以说，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，在电动汽车、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。

超级电容器按照储能机理的不同可分为：双电层电容器、法拉第电容器、混合电化学电容器等。双电层电容器是利用多孔材料和电解质之间形成的双电层电容来储存能量，一般以活性炭为电极产生的是双电层电容；当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或原子间力的作用，固/液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称作界面双电层；双电层的储能是通过电解液的电化学极化来实现，并不发生电化学反应，其储能过程是可逆的。目前，商业上广泛使用的双电层超级电容器是以四氟硼酸四乙基铵盐(TEA-BF₄)和四氟硼酸三乙基甲基铵盐(TEMA-BF₄)为电解质盐的有机电解液。但采用此电解液的超级电容器工作电压只能达到2.7v-2.8v，限制了其能量密度的提升；并且两种电解质盐的溶解度较低，限制了超级电容器在极苛刻条件下(如超低温)的应用。因此开发高溶解度、高电导率、高耐压和在极苛刻条件下(如超低温)能够使用的电解液成为超级电容器向大规模储能器件发展的重要方向。

基于含氟磺酰亚胺阴离子的螺环季铵盐电解质由于其具有疏水性、电化学性能稳定、在酯类溶剂中溶解度高等优异的性质得到了广泛的关注，作为高性能电解质材料在超级电容器等电化学新能源器件中显示出良好的应用前景，因此具有很高的推广和产业化价值。专利CN104230722A采用氟化氢作为氟化试剂和反应溶剂与双氟磺酰亚胺、鎓离子卤化物反应制得双氟磺酰亚胺鎓盐；这种方法存在以下缺点：所用氟化氢试剂腐蚀性极强且剧毒，反应过程及气体回收过程存在巨大的危险性；且反应所需能耗较高。申请号为200680040555.2的专利公开了合成螺环季铵盐的电解质的方法；但合成过程中采用了乙腈、碳酸丙烯脂等有机试剂作溶剂，该溶剂对人体和环境都会造成危害，同时增加了合成成本；并且该专利对后续的提纯过程未进行详细叙述。专利CN104387397A公开了一种螺环季铵盐电解质的制备方法，在极性溶剂中，将反应物于120℃-180℃下进行缩合反应8～16h，反应需要较高的能耗且反应时间较长，最后利用重结晶的方式提纯，产物损失较大，收率较低。

另外，超级电容器使用的电解液的电解质盐中痕量杂质对超级电容器的性能和寿命都有致命的影响，特别是卤素的含量必须要控制在极低的水平。目前除去电解质盐中卤素离子的方式主要为重结晶法，但重结晶法的缺点是产物的收率较低。因此必须寻找效率更高的精制方法。

发明内容