用于超级电容器的Water-in-Salt及其混合电解液的研究

发布时间：2020-07-29 14:55

【摘要】：超级电容器是一种基于双电层吸附或表面氧化还原反应或体相插层反应的新型储能器件,它的性能介于物理电容器和二次电池之间。因其具有的高功率密度、快速冲放电的性能和超长的循环寿命等优点,被广泛用于许多相关领域中。随着现今社会对储能器件能量密度的要求越来越高,超级电容器能量密度低的缺点逐渐被暴露出来。因此如何提高超级电容器的能量密度是目前和未来储能器件的研究重点之一。“Water-in-Salt”(WIS)电解液是一种被广泛用于水系高压锂离子电池的新型电解液,具有完全不可燃性和宽的电化学稳定电压窗口(Electrochemical stable voltage window,ESW)等优点。这类电解液的宽ESW特点不仅仅带来了高的工作电压,同时让更多的高容量电极材料可以进行完整的电化学储能行为,这些特点使得使用该类电解液的储能器件具有更高的能量密度。本论文主要的研究内容和结论如下:(1)以聚苯胺为原料通过简单的碳化和活化过程得到了具有高比表面积和合理孔径分布的聚苯胺碳纳米棒,以其作为电极材料与WIS电解液组装了水系对称超级电容器。该超级电容器工作电压为2.2 V、比容量44 F g~(-1),同时还具有优良倍率性能和长循环寿命的特点。此外,该超级电容器的能量密度和功率密度分别达到了29.6 Wh kg~(-1)和1.1 kW kg~(-1),高于近期已见诸报道的大多数水系对称超级电容器。本工作为研究高能量密度水系超级电容器提供了一种新的策略。(2)基于有机溶剂/WIS混合电解液,研究了有机溶剂的种类和混合电解液的三元配比对混合电解液物理化学性能的影响。以四种不同结构的有机溶剂作为添加剂加入到21 m WIS电解液中,研究其对21 m WIS电解液物理化学性能的影响。通过对上述混合电解液表现出的性能研究分析发现,添加乙腈是改善21 m WIS电解液高粘度和低离子电导率的最有效方法。在此基础上进一步研究了不同配比下双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)/H_2O/乙腈三元混合电解液出现的物理化学性能的变化,并绘制三元相图。利用三元相图给出了该类三元混合电解液的最佳配比。利用优化后最佳配比的混合电解液和商业活性碳成功地构筑了高电压、优良倍率性能和超长循环寿命的对称超级电容器。本工作不仅有助于混合电解液的深入研究,而且也有利于高能量密度的安全对称超级电容器的进一步开发。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53
【图文】：

超级电容器

图 1.1 超级电容器的分类Figure 1.1 Classification of supercapacitors.1.1.1 双电层电容器双电层电容器（electric double-layer capacitors, EDLCs）是最简单和商业化最广泛的一种超级电容器，它是利用静电吸附作用将电解液中的带电离子在电极-电解液界面处形成双电层电容而完成储能[10]。在这种储能过程中，电解液和电极材料均不发生物质变化（无法拉第反应）。而对电池而言则会存在物质上的变化，这些变化最终会导致电极材料发生不可逆形变，使得其寿命减少。因此，相对电池来说电容器不仅有快速充放电能力，而且还有着超长的循环寿命[11]。双电层模型最早是由德国的 Helmholtz 所提出，他将由电极两侧紧密富集反向电荷所形成相互平行的带电层称为双电层（图 1.2 a）。其中溶液离子层紧密吸附在电极表面，电极表面内的电荷层与溶液中的离子层之间的距离为 a/2（a 为离子半径）[12]研究者们在上述理论基础上进一步考虑了由于分子热运动而产生的影响，提出了由

曲线,双电层,双电层模型,扩散层

这一模型是最为靠近现实的双电层模型（图1.2b）[13]。双电层电容器的储能机理决定它的电容与电势不产生相关性。在循环伏安（CV）曲线上体现为其在充放电过程中电流是恒定值，在恒流充放电（GCD）曲线中则表现为具有恒定斜率值的曲线。因此，双电层电容器的比容量可以通过 CV、GCD 和交流

示意图,循环伏安法,电解质,水系

第一章述三种计算方式均适用于双电层电容器，且均适用于三电极和双电极体赝电容电容器电容电容器是一种与双电层电容器完全不同的超级电容器，它通过电荷电极材料表面或近表面发生的快速可逆氧化还原反应（法拉第反应）储能[材料与电池材料的储能机制相比较而言，赝电容材料的储能行为发生在材近表面，最终所展现出的还是类似于双电层呈现的静电电容，而电池材料发生在电极材料深层次，利用的是可逆性差的氧化还原反应，同时材料也的物质变化。具有赝电容现象的电极材料大多为金属氧化物，如：MnO2、Nb3)等[17]。

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