本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水溶液為電解質(zhì)的超級電容器及其應(yīng)用。本發(fā)明還涉及該種電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

為了響應(yīng)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的號召，新的能源儲存系統(tǒng)層出不窮。例如揚(yáng)水儲能，太陽能電板、鋰空氣電池、水溶液可充鋰電池、超級電容器等。在這些能源儲存系統(tǒng)中，研究者們更加側(cè)重于向綠色環(huán)保的超級電容器方向發(fā)展，由于其主要的電極材料為綠色環(huán)保的碳基材料(如活性炭)。這有利于節(jié)約地球有限的資源，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

現(xiàn)如今，采用使用活性炭作為電極材料的超級電容器存在能量密度低的缺點(diǎn)(胡中華、楊靜、劉亞菲、陳曉妹，一種超級電容器用活性炭電極材料的制備方法，CN200710171260.5，2007.11)。因此，如何提高超級電容器的能量密度很有必要。例如采用納米孔(胡秀杰、白曉霞、嚴(yán)峻、孫承華、周樹云、肖時卓、陳萍，用于超級電容器的三維納米結(jié)構(gòu)的電極材料及其應(yīng)用，CN201210280586.2，2012.08)、金屬化合物制備的碳基多孔材料(譚強(qiáng)強(qiáng)、智平、童建忠，一種用于超級電容器的碳基多孔電極薄膜及其制備方法，CN200410009580.7，2004.09)、石墨烯(羅衛(wèi)波、宋勃，三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)活性炭超級電容器極片的制備方法，CN201410209687.X，2014.05)。但是，他們?nèi)〉玫男Ч浅Ｓ邢?，因為材料的比表面積和贗電容無法得到大規(guī)模的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種水溶液為電解質(zhì)的超級電容器及其應(yīng)用，該電容器是以添加鹵素離子作為超級電容器電解質(zhì)的方法。該電容器可以大幅度提高超級電容器的能量密度，以克服超級電容器能量密度低的缺陷。

本發(fā)明提供的通過以鹵素離子作為電解質(zhì)來提高超級電容器能量密度的方法，其特征在于：由負(fù)極、正極和電解質(zhì)組成，其中：

(1)所述負(fù)極為碳基材料、嵌入化合物或其改性物；

(2)所述電解質(zhì)為鹵素離子；

(3)所述正極為碳基材料、嵌入化合物或其改性物。

本發(fā)明中，所述的碳基材料為有活性炭、碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、富勒烯以及碳的其他同素異形體或其中幾種的混合物。所述的嵌入化合物為有錳的氧化物或其改性物包括M_xMnO₂，或其摻雜物、包覆類化合物和混合物；其中，以M表示堿金屬離子，0<x<1.20。

所述的錳的氧化物包括α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂、λ-MnO₂、鋇鎂錳，以及不同晶型的化合物或其中幾種的混合物。

本發(fā)明中，所述的鹵素離子包括含有溴離子、碘離子、含有這兩種離子的絡(luò)合物的水溶液、水凝膠或者它們的混合物。

另外，本發(fā)明還提供含有鹵素離子作為電解質(zhì)的超級電容器的應(yīng)用，即用于電力的儲存和釋放。

本發(fā)明提供的一種含有鹵素離子作為電解質(zhì)的超級電容器。該超級電容器由于采用鹵素離子作為電解質(zhì)，活性炭等具有吸附能力的材料作為正負(fù)極，能夠顯著的提高超級電容器的能量密度，因此能夠最大限度的減少經(jīng)濟(jì)成本。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1在不同掃描速率下測得的循環(huán)伏安曲線。

圖2是對比例1在不同掃描速率下測得的循環(huán)伏安曲線。

圖3實(shí)施例2與對比例2的(a)倍率曲線。

圖4實(shí)施例2與對比例2的(b)功率密度圖。

圖5是實(shí)施例3的循環(huán)測試圖。

圖6是實(shí)施例1的機(jī)理示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖6，下面將通過實(shí)施例和對比例進(jìn)行更詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受限于這些實(shí)施例。

一種水溶液為電解質(zhì)的超級電容器，電解質(zhì)含有鹵素離子。

(1)所述負(fù)極為碳基材料、嵌入化合物或其改性物；

(2)所述電解質(zhì)為鹵素離子；

(3)所述正極為碳基材料、嵌入化合物或其改性物。

所述的碳基材料為有活性炭、碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、富勒烯或其它碳的其他同素異形體或其中幾種的混合物。

所述的嵌入化合物為有錳的氧化物以及其改性物包括M_xMnO₂，或其摻雜物、包覆類化合物或混合物；其中，以M表示堿金屬離子，0<x<1.20。

所述的錳的氧化物包括α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂、λ-MnO₂、鋇鎂錳，以及不同晶型的化合物或其中幾種的混合物。

所述的鹵素離子包括含有溴離子、碘離子以及含有這兩種離子的絡(luò)合物的水溶液、水凝膠或者它們的混合物。

本發(fā)明還包括一種水溶液為電解質(zhì)的超級電容器在電力的儲存和釋放中的應(yīng)用。

實(shí)施例1：

以0.5mol L^-1 LiBr和0.5mol L^-1 H₂SO₄混合溶液作為電解液，正極為活性炭(Activated Carbon，AC)，對電極為碳棒，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。從而組裝一個三電極體系。然后分別在2、5、10、20、40mV s^-1的掃描速率下進(jìn)行循環(huán)伏安測試。為了比較方便起見，這些數(shù)據(jù)匯總于圖1中。

對比例1：

除了電解液改為0.5mol L^-1 H₂SO₄，其他測試條件與實(shí)施例1相同。根據(jù)測試結(jié)果，同樣記錄其不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線，為了比較方便起見，這些數(shù)據(jù)匯總于圖2中。

從圖1和圖2可以看出，實(shí)施例的循環(huán)伏安曲線呈現(xiàn)一對明顯的氧化還遠(yuǎn)峰，其反應(yīng)機(jī)理如圖4所示，對比例的循環(huán)伏安圖主要展現(xiàn)出雙電層性質(zhì)。與對比例比較，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例在相同掃描速率下的循環(huán)伏安圖與對比例相比具有更大的容量性質(zhì)，這點(diǎn)可以從循環(huán)伏安曲線的縱坐標(biāo)可以看出。

實(shí)施例2：

以0.5mol L^-1 LiBr和0.5mol L^-1 H₂SO₄混合溶液作為電解液，正極和負(fù)極均為活性炭，且其質(zhì)量比為1:1，從而得到一個AC//AC型超級電容器。然后分別在電流密度為2、3、4、5、6A/g的電流密度下電壓窗口為0-2V間進(jìn)行恒流充放電測試。為了比較方便起見，這些數(shù)據(jù)匯總于圖3中。

對比例2：

除了電解液改為0.5mol L^-1 H₂SO₄，其他測試條件與實(shí)施例2相同。根據(jù)測試結(jié)果，同樣記錄其不同電流密度下的恒流充放電比容量，為了比較方便起見，這些數(shù)據(jù)匯總于圖3中。

從圖3的倍率性能圖和能量功率圖可以看出，添加溴離子作為電解液的AC//AC電容器的能量密度比對比例的能量密度大約要高5-10倍，同時具有較高的能量密度和功率密度。因此以此種方法組成的超級電容器具有明顯的優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用價值。

實(shí)施例3：

以0.5mol L^-1 LiBr和0.5mol L^-1 H₂SO₄混合溶液作為電解液，正極和負(fù)極均為活性炭(Activated Carbon，AC)，從而組裝一個三電極體系。然后在2A/g的電流密度下進(jìn)行循環(huán)性能測試。經(jīng)過1000次循環(huán)充放電之后，容量保持率為83.6％，為了比較方便起見，這些數(shù)據(jù)匯總于圖1中。

上面所述的實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思前提下，本領(lǐng)域中普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。