專利名稱：一種用于超級電容器的電解液和超級電容器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學技術領域，尤其涉及一種用于超級電容器的電解液和超級電容
器O
背景技術：
超級電容器是一種通過極化電解質實現(xiàn)儲能的電化學元件，具有高放電比功率、優(yōu)異的瞬時充放電性能和長循環(huán)壽命等優(yōu)點，可以作為無污染的后備電源用于多種電器設 備，也可以與電池共同組成復合電源為電動汽車提供動力。研究表明，超級電容器的性能主要與所使用的電解液有關，如J. P. Zheng等人研 究發(fā)現(xiàn)電解液的濃度與電容器的電容、能量密度和功率密度等性能密切相關，電解液濃度 越高，其離子導電率也越高，相應的電容器的最大功率密度和能量密度也較高；同時，電解 液濃度越高，電容器的最大工作電壓也越高(J.P.Zheng，Τ. R. Jow, The Effect of Salt Concentration in Electrolytes onthe Maximum Energy Storage for Double Layer Capacitors. J Electrochem. Soc. 1997，144，2417 2420)。目前電容器電解液主要有以水 作為溶劑的水系電解液和以有機物作為溶劑的有機系電解液兩大類，其中，水系電解液由 于具有較高的導電率、電容器內部阻抗低、電解質分子直徑小、價格低廉等優(yōu)點而成為研究 執(zhí)占之一?，F(xiàn)有技術已經公開了多種無機物作為水系電解液中的電解質，如高濃度硫酸等強 酸性物質、氫氧化鉀等強堿性物質以及堿金屬的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化鹽等中性鹽，但是強 酸、強堿類電解質具有腐蝕性，應用受到限制；而堿金屬的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化鹽在水中的 溶解度都較低，如硫酸鈉在20°C的水中的溶解度為19. 5g/100g，硝酸鉀在20°C的水中的溶 解度為31. 6g/100g，使得電解液的濃度偏低，通常為0. 25M 1M，影響電容器的性能。高氯酸鈉，又名過氯酸鈉，化學式為NaClO4，是無毒無色晶體，常用作分析試劑、 氧化劑或用于制作炸藥。高氯酸鈉在水中的溶解度較大，0°c時的溶解度為167g/100g水， 20°C時的溶解度為201g/100g水。
發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種用于超級電容器的電解液和 超級電容器，以提高電解液的離子導電率，降低電解液的凝固點，提高超級電容器的能量密 度和功率密度。本發(fā)明提供了一種用于超級電容器的電解液，溶劑為水，溶質為高氯酸鈉；其中，高氯酸鈉的濃度為2M 6M。優(yōu)選的，所述高氯酸鈉的濃度為3M 5M。優(yōu)選的，還包括醇類。優(yōu)選的，所述醇類為甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。本發(fā)明還提供了一種超級電容器，包括
正極、負極、介于正極和負極之間的隔膜和電解液；所述電解液為濃度為2M 6M的高氯酸鈉水溶液。優(yōu)選的，所述電解液為濃度為3M 5M的高氯酸鈉水溶液。優(yōu)選的，所述電解液還包括醇類。優(yōu)選的，所述醇類為甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。優(yōu)選的，所述正極為碳材料電極。優(yōu)選的，所述負極為碳材料電極。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明以溶解度較高的高氯酸鈉為電解質溶解在水中配制電解 液，得到濃度為2M 6M的電解液。高濃度高氯酸鈉水溶液的離子導電率較高，且高氯酸鈉 在低溫下不易析出，高氯酸鈉水溶液凝固點較低，能夠適應低溫的工作環(huán)境。同時，高氯酸 鈉水溶液中，鈉離子為強堿離子，抗還原性比較強，高氯酸根離子為強酸離子，抗氧化性比 較強，因此，高氯酸鈉水溶液具有較寬的電位窗，電化學性能較好。本發(fā)明以濃度為2M 6M 的高氯酸鈉水溶液作為電解質的超級電容器具有較高的離子導電率，在充放電時容量衰減 緩慢，能量密度和功率密度較高。此外，本發(fā)明提供的電解液和超級電容器制備工藝簡單、 原材料價格低廉、便于操作，降低了生產成本和使用成本。
圖1為本發(fā)明實施例提供的超級電容器電極的掃速-比電容曲線圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的超級電容器電極的ragone plot曲線圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的電解液濃度為3M的超級電容器的恒流充放電測試曲線圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的電解液濃度為5M的超級電容器的恒流充放電測試曲線圖。
具體實施例方式電位窗是電解液電化學性能的評價指標之一，電位窗寬的電解液性能更佳，而陽 離子抗還原性越強、陰離子抗氧化性越強的無機鹽電解液的電位窗較寬?？惯€原性較強的 陽離子主要有鋁離子、鋰離子、鈉離子和鉀離子，但是鋁鹽易水解，不穩(wěn)定；鋰鹽價格昂貴， 會增加成本；鉀鹽溶解度較低，在低溫下極易析出導致應用受限；而鈉鹽一般都較為穩(wěn)定、 便宜、溶解度高，適于用作電解質?？寡趸暂^強的陰離子主要有氯離子、硫酸根離子，但是 氯鹽中的氯離子在一定電位下容易氧化，應用受限；硫酸鹽的溶解度較低，在低溫下容易析 出導致電解液濃度較低，性能較差。高氯酸鹽主要用作火箭燃料和煙火中的氧化劑和安全 氣囊中的爆炸物，多數高氯酸鹽可溶于水，尤其是高氯酸鈉，極易溶解于水，在0°c的水中的 溶解度能達到167g/100g水。本發(fā)明提供了一種用于超級電容器的電解液，溶劑為水，溶質為高氯酸鈉；其中，高氯酸鈉的濃度為2M 6M，優(yōu)選為3M 5M。本發(fā)明對所述高氯酸鈉沒有特殊要求，優(yōu)選為從市場上購得。為了將水中的雜質離子對電解液的影響降到最低，本發(fā)明優(yōu)選以去離子水為溶 劑。
本發(fā)明提供的電解液中優(yōu)選包括醇類，所述醇類的作用是降低電解液的凝固點， 使電解液不易凍結。本發(fā)明對所述醇類沒有特殊限制，優(yōu)選為甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。本發(fā)明對所述電解液的配制方法沒有特殊限制，優(yōu)選為向水中加入高氯酸鈉，攪 拌使之充分溶解，得到電解液。本發(fā)明還提供了一種超級電容器，包括正極、負極、介于正極和負極之間的隔膜和電解液；所述電解液為濃度為2M 6M的高氯酸鈉水溶液。按照本發(fā)明，所述正極優(yōu)選為碳材料電極，更優(yōu)選為微孔碳材料和介孔碳材料電 極；所述負極優(yōu)選為碳材料電極，更優(yōu)選為微孔碳材料和介孔碳材料電極；所述隔膜優(yōu)選 為濾紙。
按照本發(fā)明，所述電解液優(yōu)選為3M 5M的高氯酸鈉水溶液。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明以溶解度較高的高氯酸鈉為電解質溶解在水中配制電解 液，得到濃度為2M 6M的電解液。高濃度高氯酸鈉水溶液的離子導電率較高，且高氯酸鈉 在低溫下不易析出，高氯酸鈉水溶液凝固點較低，能夠適應低溫的工作環(huán)境。同時，高氯酸 鈉水溶液中，鈉離子為強堿離子，抗還原性比較強，高氯酸根離子為強酸離子，抗氧化性比 較強，因此，高氯酸鈉水溶液具有較寬的電位窗，電化學性能較好。本發(fā)明以濃度為2M 6M 的高氯酸鈉水溶液作為電解質的超級電容器具有較高的離子導電率，在充放電時容量衰減 緩慢，能量密度和功率密度較高。此外，本發(fā)明提供的電解液和超級電容器制備工藝簡單、 原材料價格低廉、便于操作，降低了生產成本和使用成本。為了進一步理解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明提供的電解液及超級電容器進 行詳細描述。實施例1將280. 98g市售的高氯酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為2M的電解液；使用DJS IOC型導電率儀測定上述電解液在室溫下的導電率，為ZlSmScnT1 ；使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度 測定上述電解液的凝固點，為-26. 23°C。實施例2將421. 47g市售的高氯酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為3M的電解液；使用DJS IOC型導電率儀測定上述電解液在室溫下的導電率，為ZTSmScnT1 ；使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度 測定上述電解液的凝固點，為-30. 68°C。實施例3將561. 96g市售的高氯酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為4M的電解液；使用DJS IOC型導電率儀測定上述電解液在室溫下的導電率，為ZgZmScnT1 ；使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度 測定上述電解液的凝固點，為-36. 33°C。實施例4將702. 45g市售的高氯酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為5M的電解液；使用DJS IOC型導電率儀測定上述電解液在室溫下的導電率，為296. SmScnT1 ；
使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度 測定上述電解液的凝固點，為-39. 32°C。實施例5將842. 94g市售的高氯酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為6M的電解液；使用DJS IOC型導電率儀測定上述電解液在室溫下的導電率，為286. SmScnT1 ；使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度測定上述電解液的凝固點，為-55. 2°C。實施例6將6mgMaXSOrb和3mg導電粘合劑混合均勻后，涂覆在lcm2*lcm2不銹鋼網集流器 上，在3MPa的壓力下壓成厚度均勻的膜，得到超級電容器電極。所述導電粘合劑為質量比 為21的乙炔黑和聚四氟乙烯的混合物。實施例7以實施例6制備的電極為工作電極、鉬電極為對電極、Ag/AgCl (飽和KCl)電極為 參比電極組成電極體系，分別置于20mL實施例1、實施例2、實施例3和實施例4制備的電 解液中，采用CHI700d電化學工作站在-0. 7V +0. 5V的電壓范圍內，分別以lmVs—1、5mVs"\ IOmVs入20mVs人50mVs人100mVs-1、150mVs-1和200mVs<的掃速獲得上述電池體系的循環(huán)伏 安曲線圖，并根據此曲線計算不同掃速下單電極的比電容，參見圖1，圖1為本發(fā)明實施例 提供的超級電容器電極的掃速-比電容曲線圖，其中，曲線a為在實施例1制備的電解液中 得到的掃速_比電容曲線圖，曲線b為在實施例2制備的電解液中得到的掃速-比電容曲 線圖，曲線c為在實施例3制備的電解液中得到的掃速_比電容曲線圖，曲線d為在實施例 4制備的電解液中得到的掃速-比電容曲線圖。其中，比電容SC = i/vm, i表示電流，ν表示電位掃速，m為活性材料質量。實施例8以實施例6制備的電極分別為正負極，以濾紙作為正負極間隔膜，分別量取4mL實 施例2和實施例4制備的電解液放入塑料離心管中，采用LAND系列電池測試系統(tǒng)，在1. 2V 工作電壓下，分別在1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA和IOmA的電流密度下進行充 放電測試，得到電極的ragone plot曲線，參見圖2，圖2為本發(fā)明實施例提供的超級電容器 電極的ragone plot曲線圖，曲線A為在實施例2制備的電解液中得到的ragon印lot曲線 圖，曲線B為在實施例3制備的電解液中得到的ragone plot曲線圖。實施例9以實施例6制備的電極分別為正負極，以濾紙作為正負極間隔膜，量取4mL實施例 2制備的電解液放入塑料離心管中，采用LAND系列電池測試系統(tǒng)，在1. 2V工作電壓下，分別 在1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA和IOmA的電流密度下進行充放電測試10000 次，參見圖3，圖3為本發(fā)明實施例提供的電解液濃度為3M的超級電容器的恒流充放電測試 曲線圖。實施例10以實施例6制備的電極分別為正負極，以濾紙作為正負極間隔膜，量取4mL實施例 4制備的電解液放入塑料離心管中，采用LAND系列電池測試系統(tǒng)，在1. 2V工作電壓下，分別 在1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA和IOmA的電流密度下進行充放電測試10000次，參見圖4，圖4為本發(fā)明實施例提供的電解液濃度為5M的超級電容器的恒流充放電測試 曲線圖。實施例11將702. 45g市售的高氯酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為5M的電解液；向上述電解液中加入0. 25g甲醇，得到含有甲醇的電解液。使用DJS IOC型導電率儀測定上述含有甲醇的電解液在室溫下的導電率，為 235. 2mScm_1 ；使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度 測定上述含有甲醇的電解液的凝固點，為-66. 8 0C。對比例1將142. 04g市售的硫酸鈉溶于IL去離子水中，得到濃度為IM的電解液； 使用DJS IOC型導電率儀測定上述電解液在室溫下的導電率，為142. SmScnT1 ；使用PerkinElmer差熱分析儀在25°C _70°C的范圍內，以1°C /min的降溫速度 測定上述電解液的凝固點，為-14. 8°C。以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對 于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行 若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內。
權利要求
一種用于超級電容器的電解液，其特征在于，溶劑為水，溶質為高氯酸鈉；其中，高氯酸鈉的濃度為2M～6M。
2.根據權利要求1所述的電解液，其特征在于，所述高氯酸鈉的濃度為3M 5M。
3.根據權利要求1所述的電解液，其特征在于，還包括醇類。
4.根據權利要求3所述的電解液，其特征在于，所述醇類為甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。
5.一種超級電容器，其特征在于，包括正極、負極、介于正極和負極之間的隔膜和電解液； 所述電解液為濃度為2M 6M的高氯酸鈉水溶液。
6.根據權利要求5所述的超級電容器，其特征在于，所述電解液為濃度為3M 5M的高 氯酸鈉水溶液。
7.根據權利要求5所述的超級電容器，其特征在于，所述電解液還包括醇類。
8.根據權利要求7所述的超級電容器，其特征在于，所述醇類為甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。
9.根據權利要求5所述的超級電容器，其特征在于，所述正極為碳材料電極。
10.根據權利要求5所述的超級電容器，其特征在于，所述負極為碳材料電極。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于超級電容器的電解液，溶劑為水，溶質為高氯酸鈉；其中，高氯酸鈉的濃度為2M～6M。本發(fā)明還提供了一種超級電容器，包括正極、負極、介于正極和負極之間的隔膜和電解液；所述電解液為濃度為2M～6M的高氯酸鈉水溶液。高濃度高氯酸鈉水溶液的離子導電率較高，且高氯酸鈉在低溫下不易析出，高氯酸鈉水溶液凝固點較低，能夠適應低溫的工作環(huán)境。同時，高氯酸鈉水溶液具有較寬的電位窗，電化學性能較好。本發(fā)明提供的超級電容器具有較高的離子導電率，在充放電時容量衰減緩慢，能量密度和功率密度較高。此外，本發(fā)明提供的電解液和超級電容器制備工藝簡單、原材料價格低廉、便于操作，降低了生產成本和使用成本。
文檔編號H01G9/035GK101840784SQ20101014936
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權日2010年4月19日
發(fā)明者殷嬌, 王宏宇, 齊力 申請人:中國科學院長春應用化學研究所