超级电容器电解质用四氟硼酸螺环季铵盐的合成及应用研究

发布时间：2017-07-26 21:36

  本文关键词：超级电容器电解质用四氟硼酸螺环季铵盐的合成及应用研究

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【摘要】：超级电容器又名电化学电容器,综合性能处于化学电池与传统电容器之间,是一种新型的能量储存器件。目前,尚且存在着能量密度较低的缺点。在超级电容器的研究领域中,近几年科学家们将研究重点逐步转移到如何提高能量密度上。能量密度公式2=5.0 CUE(E为能量密度,C为比电容,U为工作电压),其中比电容与工作电极性能相关,工作电压主要由电解液决定。根据电解液的状态和电解质的属性,超级电容器的电解液主要有四种类型。其中之一的有机电解液因成本相对低廉、电化学性能优良、工作电压较高,成为工业上应用范围最广泛的电解液。超级电容器电极材料按活性物质的种类,可分为三种类型,其中之一的碳基电极因成本低,循环寿命长,充放电效率高而广泛的应用于超级电容器中。本文以自制的溴代螺环季铵盐(SQA-Br)、四氟硼酸(HBr F_4)为原料,在负压的条件下离子交换得到电解质四氟硼酸螺环季铵盐(SQA-BF_4)。通过条件实验,考察单因素对溴代螺环季铵盐(SQA-Br)转化率的影响,确定最佳合成条件的取值范围,再利用响应面(RSM)试验进一步精确分析各因素之间的关系,确定最优的工艺合成条件;通过FT-IR、LC-MS、NMR、TG-DTG对产品进行表征。在手套箱氮气氛围下将提纯、真空干燥后的四氟硼酸螺环季铵盐(SQA-BF_4)与溶剂配制成电解液,测试电导率,并将电解液应用于超级电容器,测试相关电化学性能。探索了溶剂种类,电解质浓度,活性炭材料种类,导电剂种类等对超级电容器电化学综合性能的影响。单因素实验可知,合成四氟硼酸螺环季铵盐的反应溶剂为乙醇,工艺条件优化区间为:SQA-Br:HBF_4在1:1.5~1:2.5,反应温度在50~70℃,反应时间在4~6h。响应面试验进一步精确确定反应条件:SQA-Br:HBF_4=1:2.5,温度72℃,反应时间4h,此条件下转化率达到86.66%。红外光谱测试结果,在2856 cm~(-1),1465 cm~(-1)处出现亚甲基(CH_2)的吸收峰,在1256cm~(-1)处出现氮氢键(C-N)的吸收峰,在1020 cm~(-1)处出现碳碳键(C-C)的吸收峰,在911 cm~(-1)处出现C-O-C的吸收峰,合成样品具有四氟硼酸螺环季铵盐(SQA-BF_4)所含有的官能团,与理论一致;液相色谱-质谱联用分析表明产物阳离子分子质量为142.3,与四氟硼酸螺环季铵盐(SQA-BF_4)阳离子分子量一致;核磁共振分析表明,在~(13)C-NMR谱图中,63.11 ppm,61.97 ppm,58.99 ppm,20.94ppm化学位移处出现碳的特征峰,与理论目标产物的峰数及化学位移相一致。~1H NMR谱图中,在δ4.03 3.88(m,4H),3.65 3.50(m,5H),3.48 3.36(m,4H),2.20 2.05(m,4H)处出现特征峰与目标产物氢的种类数一致。19F-NMR谱图中,在δ~(-1)50.36处出现氟的特征峰,与理论一致;热重分析证明该物质室温至382℃区间内,几乎不分解,热稳定性良好,适用于做高稳定性的超级电容器电解液电解质。通过对溶剂种类,电解质浓度因素的考察,确定在溶剂为AN+PC+DMF(1:1:1),电解质SQA-BF_4浓度为1mol/L时,超级电容器的工作电压达到3.0 V,比电容18.53F·g~(-1),充放电效率94.31%,能量密度83.40 J·g~(-1),性能优于同等条件下以四乙基四氟硼酸铵(Et4NBF_4)为电解质的超级电容器。通过对活性炭材料种类,导电剂种类的选择,确定活性炭材料为KLL,导电剂为石墨烯时,超级电容器的工作电压达到3.8 V,比电容20.14 F·g~(-1),能量密度为145.41 J·g~(-1)。
【关键词】：超级电容器 电解质 有机电解液 四氟硼酸螺环季铵盐 活性炭
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 超级电容器简介11-16
• 1.1.1 超级电容器的工作原理及分类12-13
• 1.1.2 超级电容器的应用13-15
• 1.1.3 超级电容器的发展现状及发展趋势15-16
• 1.2 超级电容器电极材料的研究进展16-17
• 1.2.1 碳材料16-17
• 1.2.2 金属氧化物材料17
• 1.2.3 导电聚合物材料17
• 1.3 超级电容器电解液17-19
• 1.3.1 电解液的分类17-19
• 1.4 季铵盐类电解质19-21
• 1.4.1 短直链季铵盐电解质19-20
• 1.4.2 螺环季铵盐电解质20-21
• 1.5 研究目的意义及内容21-24
• 1.5.1 研究的目的意义21-22
• 1.5.2 研究的内容22-24
• 第二章 实验材料和表征方法24-31
• 2.1 实验原料24-25
• 2.2 实验仪器25
• 2.3 实验部分25-26
• 2.3.1 碳基电极的制备25-26
• 2.3.2 电解液的配制26
• 2.3.3 模拟超级电容器的组装26
• 2.4 四氟硼酸螺环季铵盐的表征测试方法26-28
• 2.4.1 红外光谱测试测试（FT-IR）26-27
• 2.4.2 液质联用测试(LC-MS)27
• 2.4.3 核磁共振测试（NMR）27
• 2.4.4 热稳定性测试（TG）27-28
• 2.5 活性炭电极的表征测试方法28
• 2.5.1 四探针测试仪28
• 2.5.2 比表面积和孔结构分析（BET）28
• 2.6 电化学性能的测定方法28-31
• 2.6.1 电导率测试28-29
• 2.6.2 循环伏安测试29
• 2.6.3 恒电流充放电测试29-31
• 第三章 四氟硼酸螺环季铵盐的合成及表征31-47
• 3.1 实验部分31-34
• 3.1.1 实验原理31-32
• 3.1.2.合成方法32-33
• 3.1.3 转化率的测定及计算33-34
• 3.2 实验结果与讨论34-46
• 3.2.1 单因素优化试验34-37
• 3.2.2 响应面优化试验37-42
• 3.2.3 表征42-46
• 3.3 本章小结46-47
• 第四章 四氟硼酸螺环季铵盐电解液的电化学性能研究47-68
• 4.1 实验部分47-48
• 4.1.1 电极的制备47
• 4.1.2 电解液的配制47-48
• 4.1.3 模拟超级电容器的组装48
• 4.2 结果与讨论48-67
• 4.2.1 溶剂对工作电解液性能的影响48-54
• 4.2.2 SQA-BF_4 浓度对工作电解液性能的影响54-57
• 4.2.2.1 SQA-BF_4浓度对工作电解液电导率的影响54
• 4.2.2.2 浓度对 SQA-BF_4 电解液循环伏安性能的影响54-56
• 4.2.2.3 浓度对 SQA-BF_4 工作电解液充放电性能的影响56-57
• 4.2.3 电解质种类对工作电解液性能的影响57-60
• 4.2.4 碳材料电极种类对超级电容器性能的影响60-64
• 4.2.5 不同导电剂对超级电容器性能的影响64-67
• 4.3 本章小结67-68
• 第五章 总结与展望68-71
• 5.1 总结68-69
• 5.2 创新点69
• 5.3 展望69-71
• 参考文献71-78
• 攻读硕士学位期间发表论文78-79
• 致谢79

【参考文献】

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本文编号：578497