本發明專利技術提供了一種雙電層電容器用有機電解液，所述的有機電解液由0.5～2摩爾/升的電解質和有機溶劑組成，所述的電解質為選自結構式(1)所示的化合物中的一種，其中，R1為碳原子數為1～3的烷基；所述的有機溶劑為選自腈類有機溶劑、碳酸酯類有機溶劑、砜類有機溶劑中的一種或多種的組合。本發明專利技術通過對電解質和有機溶劑的優化，使得電解液的原料簡單且容易獲得，電解液的工作電壓高、放電容量高、應用溫度范圍廣，該電解液可以提高雙電層電容器的工作電壓并增加靜電吸附量，從而相應提升雙電層電容器的靜電容量、功率密度和循環壽命等性能指標。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種雙電層電容器用有機電解液及其雙電層電容器。
技術介紹
雙電層電容器又名超級電容器，是德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。當向電極充電時，處于理想極化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小(一般0.5nm以下，遠遠小于普通電容器)，再加之采用特殊電極結構，使電極表面積成幾何級數的增加從而儲存極大的電容量，由于其電容量大大高于傳統電容器故稱之為超級電容器。雙電層電容器與二次電池相比具有可大電流充放電、超長循環壽命、無重金屬環境污染、原料成本低、免維護等特點，是當前公認的節能環保型的綠色電源。這些特點使得雙電層電容器在與新能源汽車、軌道交通、智能電網、太陽能風能發電配套、UPS電源、大型起重機械、大功率武器等方面可發揮巨大的作用，在節能環保日益成為主題的今天，雙電層電容器的開發與應用越來越受到世界各國政府和企業的高度關注。目前雙電層電容器成熟的商用電解液，采用四乙基四氟硼酸鹽(以下簡稱TEA-BF4)和甲基三乙基四氟硼酸鹽(以下簡稱TEMA-BF4)為電解質，以乙腈為溶劑，經過十幾年的商業化運行發現，其存在工作電壓低(不超過2.7V)、放電電流小、低溫性能差、安全性差等缺點，按照電容器相關公式E＝CV2/2、P＝V2/R(E、C、V、P、R分別代表電容器能量、電容量、電壓、功率、內阻)，工作電壓直接影響雙電層電容器的能量密度和功率密度，對各項性能影響較大，因而開發高工作電壓(3.0V)、放電電流大的雙電層電容器用有機電解液，提高雙電層電容器的功率密度和能量密度已成為當務之急。公開號為102074366A的中國專利技術專利公開了一種新型雙電層電容器電解液的制備方法和應用，該雙電層電容器電解液以四氟硼酸螺環季銨鹽(C8H16NBF4，以下簡稱SBP-BF4)作為電解質、疏水性離子液體1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽(以下簡稱BMIM-PF6)作為溶劑配制而成，該電解液應用于雙電層電容器后，能提高雙電層電容器的放電容量、充放電效率并增加循環壽命等性能。但該專利的存在以下幾個顯著缺點，首先，該專利所述電解液未能提高雙電層電容器的工作電壓，仍然與傳統商用超級電容器電解液在2.7V同一水平；其次，兩大組分四氟硼酸螺環季銨鹽和1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽離子液體兩者均未有批量商業化生產，特別是1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽離子液體合成路線較長且復雜工業化放大有較大困難；第三、該專利所述電解液在25℃常溫下電導率僅為2～3.7mS/cm，遠遠低于常規電解液的50～56mS/cm，這會嚴重影響雙電層電容器的大電流充放電，造成雙電層電容器的最大賣點——功率密度大大偏低；最后，該專利所述電解液溶劑1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽離子液體的熔點為10℃低溫性能較差，導致該專利所述電解液難以滿足雙電層電容器-40～65℃工作溫度的基本需求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種工作電壓高、放電容量高、循環壽命長的雙電層電容器用有機電解液及其雙電層電容器。為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：本專利技術的一個目的是提供一種雙電層電容器用有機電解液，所述的有機電解液由0.5～2摩爾/升的電解質和有機溶劑組成，所述的電解質為選自結構式(1)所示的化合物中的一種，其中，R1為碳原子數為1～3的烷基；所述的有機溶劑為選自腈類有機溶劑、碳酸酯類有機溶劑、砜類有機溶劑中的一種或多種的組合。本專利技術中的電解質鹽的陽離子包含一個嗎啉環，另一邊為甲基和碳原子數1～3的烷基，陰離子為四氟硼酸根，該結構具有以下好處，1)分子半徑更小，使電解質更加容易溶解在有機溶劑中，使電解質能夠進入更多電極材料微孔中從而提高電容器的靜電容量；2)嗎啉環本身為六元環結構加上氮氧鍵能夠提升陽離子的穩定性，經過進一步電化學測試發現該結構能夠提高電解液耐電壓窗口；3)合成路線較短三廢少設備要求低，主要原料為大化工產品，工業化生產成本較低，因此，該電解質鹽較為便宜易得。根據優選方案，所述的有機溶劑為腈類有機溶劑，或者腈類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑，或者碳酸酯類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑，或者腈類有機溶劑、砜類有機溶劑和碳酸酯類有機溶劑的混合溶劑。更優選地，腈類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑中腈類有機溶劑與砜類有機溶劑的投料質量比為2～3：1，優選為2.3～3：1；碳酸酯類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑中碳酸酯類有機溶劑與砜類有機溶劑的投料質量比為3.5～4.5：1，優選為4：1；腈類有機溶劑、砜類有機溶劑和碳酸酯類有機溶劑的混合溶劑中腈類有機溶劑、砜類有機溶劑和碳酸酯類有機溶劑的投料質量比為6.5～7.5：1.5～2.5：1，優選為7：2：1。根據優選方案，所述的腈類有機溶劑為選自乙腈、丙腈、3-甲氧基丙腈、正丁腈、異丁腈、氟代乙腈、3,3,3-三氟丙腈、丁二腈、己二腈中的一種或多種的組合；所述的砜類有機溶劑為環丁砜、二甲基砜；所述的碳酸酯類有機溶劑為選自碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的一種或多種的組合。本專利技術所述的溶劑或溶劑組合，能夠滿足雙電層電容器對電解液的寬溫度工作、低粘度高電導、高充放電速率等要求。根據優選方案，所述的電解質為N,N-二甲基嗎啉四氟硼酸鹽。根據優選方案，所述的電解質的濃度為0.8～1.8摩爾/升。更優選地，所述的電解質的濃度為1.0～1.6摩爾/升。本專利技術的另一個目的是提供一種采用所述的有機電解液的雙電層電容器。本專利技術中：N,N-二甲基嗎啉四氟硼酸鹽，簡稱MOR1,1-BF4，其結構式為：N-乙基-N-甲基嗎啉四氟硼酸鹽，簡稱MOR1,2-BF4，其結構式為：N-丙基-N-甲基嗎啉四氟硼酸鹽，簡稱MOR1,3-BF4，其結構式為：由于以上技術方案的實施，本專利技術與現有技術相比具有如下優點：本專利技術通過對電解質和有機溶劑的優化，使得電解液的原料簡單且容易獲得，電解液的工作電壓高、放電容量高、應用溫度范圍廣，該電解液可以提高雙電層電容器的工作電壓并增加靜電吸附量，從而相應提升雙電層電容器的靜電容量、功率密度和循環壽命等性能指標。附圖說明附圖1為MOR1,1-BF4核磁表征圖譜。具體實施方式下面結合具體實施例進一步說明本專利技術。由于分子半徑是電解質鹽的關鍵指標，分子半徑減小有助于增加超級電容器電極材料微孔的利用率、增大吸附面積從而提升靜電容量，電解質鹽的分解電壓則直接決定電解液的耐壓性能。為此我們對擬開發的電解質鹽先進行QSAR定量構效關系(QuantitativeStructure-ActivityRelationship)的研究和計算，篩選出分子半徑較小的電解質鹽進行合成，然后實測電化學窗口，兩項數據顯示MOR1,R-BF4系列電解質相比常規商用電解液的TEA-BF4、TEMA-BF4具有較大優勢，四種電解質鹽數據比較參見表1。表1下面列舉了4例對比例、20例實施例的電解液配方組成，具體見表2，其中TEA-BF4、TEMA-BF4采購自試劑公司，MOR1,R-BF4系列采用如下方法合成：MOR1,1-BF4制備方法舉例如下：1、2L反應釜中加入N-甲基嗎本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種雙電層電容器用有機電解液，其特征在于：所述的有機電解液由0.5～2摩爾/升的電解質和有機溶劑組成，所述的電解質為選自結構式(1)所示的化合物中的一種，其中，R1為碳原子數為1～3的烷基；所述的有機溶劑為選自腈類有機溶劑、碳酸酯類有機溶劑、砜類有機溶劑中的一種或多種的組合。
【技術特征摘要】
1.一種雙電層電容器用有機電解液，其特征在于：所述的有機電解液由0.5～2摩爾/升的電解質和有機溶劑組成，所述的電解質為選自結構式(1)所示的化合物中的一種，其中，R1為碳原子數為1～3的烷基；所述的有機溶劑為選自腈類有機溶劑、碳酸酯類有機溶劑、砜類有機溶劑中的一種或多種的組合。2.根據權利要求1所述的雙電層電容器用有機電解液，其特征在于：所述的有機溶劑為腈類有機溶劑，或者腈類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑，或者碳酸酯類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑，或者腈類有機溶劑、砜類有機溶劑和碳酸酯類有機溶劑的混合溶劑。3.根據權利要求2所述的雙電層電容器用有機電解液，其特征在于：腈類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑中腈類有機溶劑與砜類有機溶劑的投料質量比為2～3：1；碳酸酯類有機溶劑與砜類有機溶劑的混合溶劑中碳酸酯類有機溶劑與砜類有機溶劑的投料質量比為3.5～4.5：1；腈類有機溶劑、砜類有機溶劑和碳酸酯類有機溶劑的混合溶劑中腈...
【專利技術屬性】
技術研發人員：熊鯤，鄒凱，任齊都，徐曉強，關士友，李建中，
申請(專利權)人：江蘇國泰超威新材料有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32
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