一種高工作電壓的超級電容器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超級電容器領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種高工作電壓的超級電容器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]全球變暖和化石燃料的日益枯竭迫使人們大力發(fā)展可持續(xù)和可再生能源，目前，解決日趨短缺的能源問題，仍是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。因此，學(xué)者們紛紛投身新能源領(lǐng)域，在尋找清潔、高效和可再生能源的同時，也積極關(guān)注能量存儲。太陽能和風(fēng)能作為最具有發(fā)展前景的新能源引起了學(xué)者們極大的興趣，并得到了快速發(fā)展，然而這些能源并不穩(wěn)定，如太陽能在夜晚不能工作，風(fēng)能的提供也存在不確定性，因此需要儲能系統(tǒng)對能量進(jìn)行存儲后再加以利用。近幾年，超級電容器作為儲能器件扮演越來越重要的角色。
[0003]超級電容器(Supercapacitor)，通常也被稱為法拉第準(zhǔn)電容器、電化學(xué)電容器或雙電層電容器。超級電容器與傳統(tǒng)電容器的儲能機理不同，它是通過電極和電解液之間的界面和電極表面或內(nèi)部可逆的氧化還原反應(yīng)存儲電荷，其性能介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間，具有高于蓄電池的功率密度和傳統(tǒng)靜電電容器的能量密度，其容量可達(dá)到幾百法拉甚至上千法拉。此外，超級電容器具有工作溫度范圍寬、使用壽命長和對環(huán)境無污染等特點，是一種既高效實用又方便環(huán)保的能量存儲裝置。與蓄電池相比，超級電容器最大的優(yōu)點是充放電速率快。超級電容器可釆用幾安培甚至幾十安培的大電流充電和放電，能夠在數(shù)十秒到幾分鐘的時間內(nèi)完成充電和放電過程;而普通蓄電池充電則需要數(shù)小時來完成，如果充電和放電電流過大還會造成蓄電池永久性損壞。通常，超級電容器按照儲能機理的不同可以分為雙電層電容器(EDLC)和贗電容器(Pesudocapaei tor)兩大類。而基于使用的電解質(zhì)類型的不同，超級電容器可分為水系電解質(zhì)電容器、固體電解質(zhì)電容器和有機電解質(zhì)電容器三大類；由電極裝置的結(jié)構(gòu)及其電極上所發(fā)生反應(yīng)的不同，可分為對稱和非對稱電容器兩大類;根據(jù)制造工藝和外形結(jié)構(gòu)的不同可歸為繞卷型、紐扣型及大型電容器三大類。
[0004]美國《探索》雜志曾將超級電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，并將超級電容器的出現(xiàn)視為能量儲存領(lǐng)域中一項革命性的突破。在一些需要高功率和高效率解決方案的設(shè)計中，工程師己開始釆用超級電容器來取代傳統(tǒng)的電池。我國對超級電容器的研究起始于20世紀(jì)80年代初。目前，國內(nèi)生產(chǎn)廠家大多以生產(chǎn)液體雙電層電容器為主，如錦州凱美科技有限公司、長沙巨力電子科技有限公司、石家莊高達(dá)新能源科技有限公司、集盛星泰新能源科技有限公司，天津力神電池股份有限公司、錦州富辰超級電容器有限責(zé)任公司和錦州錦容超級電容器有限責(zé)任公司等多家公司。這些公司將研究重點主要集中在大功率應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，國產(chǎn)超級電容器在我國市場的占有份額已達(dá)到60%-70%。我國一些高等學(xué)校和科研院所，如香港科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、蘇州大學(xué)、南京理工大學(xué)、同濟大學(xué)、上海交通大學(xué)和大連理工大學(xué)等都開展了對超級電容器電極材料、電解液和封裝工藝的研究工作。
[0005]中國專利CN102456479A公開了一種超級電容器電極材料的制備方法，首先制備濃度為0.02-0.20mol/L高錳酸根水溶液，并攪拌加入聚乙二醇，得到混合溶液其中所述聚乙二醇與高錳酸根水溶液的體積比為1:8-1: 40 ；攪拌上述混合溶液，過濾，得到沉淀;清洗沉淀，烘干，得到超級電容器電極材料。本發(fā)明的超級電容器電極材料的制備方法具有工藝簡單、流程短、設(shè)備依賴性低、適于大規(guī)模生產(chǎn)的特點，并且制備的超級電容器電極材料具有優(yōu)良的性能。
[0006]中國專利CN103258656A公開了一種基于泡沫鎳的非對稱超級電容器電極的制備方法，包括:將泡沫鎳進(jìn)行清洗，然后浸泡到氧化石墨烯水溶液中獲得沉積有氧化石墨烯的泡沫鎳；以沉積有氧化石墨烯的泡沫鎳為前驅(qū)體材料，分別采用三電極法來制作非對稱超級電容器的正負(fù)極，且該正負(fù)極分別由石墨烯/碳納米管/泡沫鎳和石墨烯/ 二氧化錳/泡沫鎳復(fù)合材料構(gòu)成。本發(fā)明還公開了其他一些基于類似原理的超級電容器電極的制備方法及其相應(yīng)產(chǎn)品。通過本發(fā)明，能夠充分發(fā)揮復(fù)合材料各自的高比電容特征，提高超級電容器的能量密度;此外，可以避免各種組劑的使用，相應(yīng)以便于操控、低成本、低能耗的方式執(zhí)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)。
[0007]現(xiàn)有超級電容器的電解液的溶劑為水或有機物，溶質(zhì)為有機電解質(zhì)或無機電解質(zhì)，但是卻很少有單一組分的電解液。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種高工作電壓的超級電容器及其制備方法，本發(fā)明的方法制備的超級電容器不僅突破了傳統(tǒng)超級電容器的界限，而且工作電壓高。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0010]—種高工作電壓的超級電容器，其特征在于，所述超級電容器包括正極、負(fù)極和電解液，其特征在于，電解液包括季銨鹽離子液體，所述季銨鹽離子液體的通式為[NRaH4I] +X—，其中a為1-3，R為C3-C7的烷基，X為鹵素。
[0011]優(yōu)選地，所述a為1-2，所述R為C4-C5的正構(gòu)烷基，X為氯。
[0012]優(yōu)選地，正極為選自石墨電極、銀電極和銅電極中的至少一種。
[0013]優(yōu)選地，負(fù)極為選自石墨電極、銀電極和銅電極中的至少一種。
[0014]優(yōu)選地，所述電解液還包括硫酸和硫酸鈉，所述季銨鹽離子液體與硫酸和硫酸鈉的質(zhì)量比為1:(0.1-0.5):(0.03-0.1)。
[0015]優(yōu)選地，所述季銨鹽離子液體與硫酸和硫酸鈉的質(zhì)量比為1:(0.2-0.4):(0.06-
0.08)。
[0016]優(yōu)選地，所述超級電容器的工作電壓為1.0-4.2伏，比容量為200-300F/g，循環(huán)次數(shù)為 1000-10000次。
[0017]優(yōu)選地，所述超級電容器的工作電壓為1.2-4.0伏，比容量為230_28(^/^，循環(huán)次數(shù)為 5000-8000次。
[0018]一種高工作電壓的超級電容器的制備方法，其特征在于，該方法包括:將正極、負(fù)極和季銨鹽離子液體組成超級電容器;其中，所述所述季銨鹽離子液體的通式為[NRaH4-a] +X—，其中a為1-3，R為C3-C7的烷基，X為鹵素。
[0019]優(yōu)選地，所述a為1-2，所述R為C4-C5的正構(gòu)烷基，X為氯。
[0020]本發(fā)明的有益效果為:
[0021]1、本發(fā)明采用季銨鹽離子液體作為超級電容器的電解液，與傳統(tǒng)的電解液相比，只有一種組分，不僅新穎，而且提高了該超級電容器的工作電壓。
[0022]2、本發(fā)明的季銨鹽離子液體的可選擇種類多，既可以作為電解質(zhì)使用，也可以作為溶劑使用。
[0023 ] 3、為了進(jìn)一步增加比容量，本發(fā)明的超級電容器的電解液中還可以包括硫酸和硫酸鈉。
[0024]4、本發(fā)明的超級電容器的比容量可以達(dá)到200_300F/g，循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到5000以上。
[0025]5、本發(fā)明的超級電容器制備方法簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】