有机体系电解液在双电层电容器中的应用研究

摘要

本文以制备高比电容、高工作电压的双电层电容器用电解液为目的，开展了N，N-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P11-BF4)、N-乙基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P12-BF4)、四乙基铵四氟硼酸盐(TEA-BF4)、N-丁基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P14-BF4)、N-甲氧基乙基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P12O1-BF4)等电解质的工作。对电解质盐离子尺寸的大小、阳离子烷基链上醚键的引入等因素对电解液的电导率、电化学窗口以及组装成的双电层电容器比电容和耐电压特性的影响进行了系统的研究。
　　采用两步法制备了各电解质盐，并以碳酸丙烯酯PC为溶剂，配置浓度为1mol/L的电解液，以活性炭为电极组装成双电层电容器，先将1mol/L P11-BF4/PC、1mol/L P12-BF4/PC、1mol/L TEA-BF4/PC组装的双电层电容器通过循环伏安测试、恒流充放电测试、交流阻抗测试等方法系统研究了电解质盐离子尺寸的大小对双电层电容器电化学性能的影响，再将1mol/L P14-BF4/PC、1mol/L P12O1-BF4/PC两种电解液组装的双电层电容器进行比较。探究阳离子烷基侧链上醚键的引入对电容器工作电压和质量比电容的影响，结果表明:
　　(1)劈别配制1mol/L P11-BF4/PC、1mol/L P12-BF4/PC、1mol/L TEA-BF4/PC电解液，探究电解质离子尺寸对双电层电容器电化学性能的影响，结果表明:三种电解液具有相同的电化学窗口(5.3V)，小电流密度下，三种电容器的比电容大小顺序为P11-BF4/PC＞P12-BF4/PC＞TEA-BF4/PC，大电流密度下，比电容大小为P12-BF4/PC＞P11-BF4/PC＞TEA-BF4/PC，电解质离子尺寸和阳离子对称性共同影响着电容器的比电容。三种电容器的耐电压特性依次为P11-BF4/PC＞P12-BF4/PC＞TEA-BF4/PC，电解质离子尺寸越小，电解液的耐电压特性越好，电容器的工作电压越高。电解质离子尺寸的大小和阳离子的对称性共同影响着电容器的电化学性能。
　　(2)配制1mol/L P14-BF4/PC、1mol/L P12O1-BF4/PC电解液，系统考察了电解质阳离子烷基侧链上醚键的引入对双电层电容器电化学性能的影响，研究发现引入醚键提高了电解液的电导率，降低了电解液的粘度，但并没有提高电解液的电化学窗口，醚键的引入增加了电解液和活性炭电极的相容性，提高了双电层电容器的比电容和工作电压，比未引入醚键的电解液组装的双电层电容器具有更好的电容特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 双电层电容器的概述

1．2 双电层电容器应用及发展前景

1．3 双电层电容器的储能机理

1．4 双电层电容器能量密度的限制因素

1．5 双电层电容器常用炭电极材料

1．5．1 活性炭粉末

1．5．2 活性炭微球

1．5．3 石墨烯

1．5．4 其他炭基电极材料

1．6 双电层电容器的电解液

1．6．1 水系电解液

1．6．2 有机系电解液

1．6．3 离子液体电解液

1．6．4 固态电解质

1．7 本课题研究的目的意义及主要内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验设备仪器、实验原料及化学试剂

2．1．1 主要仪器和设备

2．1．2 实验原料及化学试剂

2．2 电解质盐的合成与表征

2．2．3 N-丁基-N甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P14-BF4)的合成

2．2．4 N-早氧基乙基-N-甲基吡咯烷四氯硼酸盐(P12O1-BF4)的合成

2．3 电解质的分子结构的表征

2．5．1 电解液的配制

2．5．2 电解液微量水分的检测

2．5．3 电解液电导率的测量

2．5．4 电解液粘度的测量

2．5．5 电解液电化学窗口的测量

2．6 双电层电容器的电化学性能测试方法

2．6．1 双电层电容器的组装

2．6．2 双电层电容器的恒电流充放电测试

2．6．4 双电层电容器的交流阻抗测试

第三章 季铵盐阳离子尺寸大小对双电层电容器的影响

3．1 引言

3．2 二烷基吡咯烷季铵盐的结构表征

3．2．2 二烷基吡咯烷季铵盐核磁表征

3．2．3 三种电解质盐的热重分析(TGA)

3．2．4 电解液水分测试

3．2．5 电解液的电导率测试

3．3 双电层电容器的电化学性能研究

3．3．1 电解液的电化学窗口测试

3．3．2 三种电解液组装的双电层电容器的循环伏安测试

3．3．3 三种电解液组装的双电层电容器的交流阻抗测试

3．3．4 三种电解液组装的双电层电容器的恒流充放电测试

3．3．5 三种电解液组装的双电层电容器的倍率性能

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 两种离子液体的结构表征

4．2．1 两种离子液体的元素分析

4．2．2 两种离子液体核磁表征

4．2．3 电解液水分测试

4．2．4 两种电解液的电导率和粘度

4．3．1 两种电解液的电势窗口

4．3．2 两种双电层电容器的恒流充放电测试

4．3．2 两种双电层电容器的循环伏安测试

4．3．4 两种双电层电容器的交流阻抗测试

4．3．5 两种双电层电容器的倍率性能测试

4．3．6 两种双电层电容器的循环寿命测试

4．3．7 本章小结

第五章 全文结论及展望

5．1 论文主要结论

5．2 有待深入研究的问题

参考文献

发表论文情况

致谢