离子液体在铝离子非对称超级电容器中的应用

摘要

离子液体是一类仅由阴阳离子组成、在室温下呈液态的有机盐，又被称为室温熔盐。其具有蒸汽压低、不挥发、无色无味、不可燃、离子电导率高，化学稳定性好和电化学窗口宽等优点。此外，离子液体能根据需求不同对阴阳离子进行相应设计，因而被广泛应用于电化学、合成等领域。目前离子液体大多存在吸湿性强和成本较高的问题。将具有较好低温性能和疏水性的硅氧烷链段引入离子液体，有利于在提高离子液体低温性能的同时降低其吸湿性。　　以制备低成本和疏水性较好的磺酸基有机硅离子液体为目的，将氯磺酸作为磺化剂，对常见的化工原料苯基硅油进行了磺化实验。通过酸碱滴定、气质联用仪等方法探究了反应时间、反应温度、助磺化剂和分子量对磺化度的影响。在10g裂解苯基硅油，90g二氯甲烷溶剂，3.25mL氯磺酸为磺化剂条件下，在40℃下磺化12h，得到了磺化度0.099mmol/g的磺化苯基硅油。由于磺化程度较低，未达到进一步制备离子液体的要求，需要进行进一步深入研究。　　氯铝酸离子液体是铝离子非对称超级电容器常用的电解质（如AlCl3/EMIMCl），却存在易与空气中水分反应的问题。为了克服氯铝酸离子液体对水敏感的问题，尝试以AlCl3/EMIMTFSI（1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐）和AlCl3/BMPDCA（N-丁基-N-甲基吡咯烷二氰胺）作为替代电解质制备了纽扣式铝离子非对称超级电容器，并对其进行了循环伏安测试、恒流充放电等测试。结果表明AlCl3/EMIMTFSI为电解质的纽扣式电容器在合适的工作电压下比电容达31.5F/g，接近文献记载的以AlCl3/EMIMCl（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）为电解质时的55F/g，而AlCl3/BMPDCA则性能不佳。　　分别配制了 OFX-3667和 OFX-5211有机硅非离子表面活性剂与AlCl3/EMIMCl的溶液，期望通过有机硅链段在界面处的憎水作用降低离子液体对水分的敏感性，同时利用表面活性剂降低表面张力的能力增加离子液体对碳电极的浸润能力。将不同浓度表面活性剂/离子液体溶液暴露在空气中24h，发现两种表面活性剂添加前后AlCl3/EMIMCl的水敏感性变化未达到预期效果。以不同浓度的表面活性剂/离子液体溶液为电解质，以酚醛泡沫碳化得到的介孔碳为电极制备了纽扣式超级电容器，进行了循环伏安测试和恒流充放电测试，并计算了不同表面活性剂浓度电解质溶液对应的比电容，确定了在6wt%OFX-5211浓度下的AlCl3/EMIMCl具有较好的电化学性能。进一步以该浓度溶液和介孔碳作为电解液和电极正极，铝片为负极制备了铝离子非对称超级电容器。结果表明，以介孔碳为电极的纽扣式铝离子非对称超级电容器循环稳定性较差。这可能是因为上述方法制备的介孔碳主要为无定形结构，其作为铝离子非对称超级电容器正极时，在充放电过程中由于离子的重复嵌入/脱嵌而遭到破坏。因此，需要进一步将无定形介孔碳转化为石墨化介孔碳，以进一步改善其电化学稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 离子液体概述

1.3电容器概述

1.4 表面活性剂概述

1.5 本文研究的目的和主要内容

第二章 磺酸基硅氧烷离子液体的制备

2.1 引言

2.2 实验试剂

2.3 仪器设备

2.4 实验部分

2.5 测试与表征

2.6 结果与讨论

2.7 小结

第三章 EMIMTFSI和BMPDCA在铝离子非对称超级电容器中的应用

3.1 引言

3.2 实验试剂

3.3 仪器设备

3.4 实验部分

3.5 测试与表征

3.6 结果与讨论

3.7 小结

第四章 有机硅非离子表面活性剂对离子液体电解质性能的影响

4.1 引言

4.2 实验试剂

4.3 实验仪器

4.4 实验部分

4.5 测试与表征

4.6 结果与讨论

4.7 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果