超级电容器新型电解液的超低温及高耐电压特性研究

发布时间：2017-03-18 10:02

  本文关键词：超级电容器新型电解液的超低温及高耐电压特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超级电容器具有超高的功率密度和超长的循环寿命等独特性能,在电动汽车、新型轨道交通运输、太阳能与风力发电、智能电网等领域具有巨大的发展潜力。本文基于高比表面积多孔炭材料电容器的双电层储能基本原理,针对决定其低温性能和耐电压特性的核心材料——有机电解液,开展了制备与电化学性能研究,并对基于所制备的新型电解液的电容器的超低温及高耐电压特性进行了分析探讨。采用实验室自制的四氟硼酸双螺环季铵盐(SBP-BF4),溶于乙腈(AN)与碳酸二丁酯(DBC)的混合溶剂,配制了不同浓度(0.5-1.5 mol L-1)、不同DBC含量(0%-33%)的SBP-BF4/AN+DBC电解液。室温下,0.5 M的纯AN电解液电导率高达31.96 mS cm-1,在超低温(-60℃)下,DBC-20%电解液的电导率仍高达8.56 mS cm-1。将其应用于商用活性炭(YP-50F)电极时获得了在超低温下极好的储能特性和循环稳定性。基于DBC-20%电解液的电容器在-60℃下,电流密度为2500 mA g-1时,10000次循环后,其放电比容量仍高达95 F g-1,表现出极好的超低温大倍率放电稳定性。在超低温测试基础之上,本文进一步探讨了电解液浓度对其耐电压特性的影响,并通过提高电容器的工作电压以增大其能量密度。在室温下,随着电解液浓度的增大,其耐电压特性增强,基于1.5 M纯AN及DBC混合电解液的电容器表现出最优的耐高电压性能。在3.5 V的高电压下,电流密度高达20000mA g-1时,其放电比容量分别为97 F g-1和98F g-1,同时兼具较高的比能量和比功率,分别为52 Wh kg-1和31.5 kW kg-1。在-60℃下,基于纯AN电解液的电容器性能急剧下降,而基于1.0 M DBC-20%电解液电容器表现出优异的超低温工作性能。在3.5 V电压下,电流密度为5000 mA g-1时,其放电比容量为92F g-1。同时,电容器的比能量和比功率分别高达39 Wh kg-1和10.5 kW kg-1。以上超低温及高电压下的电化学测试结果表明：DBC的引入有效地降低了混合电解液体系的熔点,使其在超低温下具有较高的电导率,从而使电容器表现出优异的电化学性能。此外,通过提高电容器的工作电压,可以在保持其高功率密度的同时,大幅提高其能量密度,使电容器兼具较高的比能量和比功率。
【关键词】：四氟硼酸螺环季铵盐 碳酸二丁酯 乙腈 超低温特性 耐高电压特性 圆柱形超级电容器 新型离子液体电解液
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 文献综述9-27
• 1.1 引言9-10
• 1.2 超级电容器简介10-18
• 1.2.1 超级电容器的发展10-11
• 1.2.2 超级电容器国内研究现状11-12
• 1.2.3 超级电容器的工作原理12-14
• 1.2.4 超级电容器的分类14-15
• 1.2.5 超级电容器的特点15-16
• 1.2.6 超级电容器的应用16-18
• 1.3 超级电容器用电极材料简介18-19
• 1.3.1 碳基电极材料18
• 1.3.2 金属氧化物基电极材料18-19
• 1.3.3 导电聚合物基电极材料19
• 1.4 超级电容器常用碳材料19-22
• 1.4.1 活性炭19-21
• 1.4.2 活性炭微球21
• 1.4.3 碳纳米管21-22
• 1.4.4 碳纳米纤维22
• 1.4.5 碳气凝胶22
• 1.5 超级电容器用电解液22-24
• 1.5.1 超级电容器用电解液简介22-23
• 1.5.2 超级电容器用新型电解液23-24
• 1.5.3 超级电容器用新型低温电解液24
• 1.6 本课题的选题意义及研究内容24-27
• 第二章 材料制备及超级电容器的组装和测试方法27-35
• 2.1 实验原料、化学试剂及设备仪器27-29
• 2.1.1 原料来源27
• 2.1.2 主要原料和试剂27-28
• 2.1.3 主要仪器和设备28-29
• 2.2 实验方法29-35
• 2.2.1 新型低温电解液的制备及性能检测30-31
• 2.2.1.1 四氟硼酸螺环双吡咯烷季铵盐的合成30
• 2.2.1.2 电解液的配制与除水纯化30-31
• 2.2.1.2.1 电解液的配制30
• 2.2.1.2.2 电解液的除水纯化30-31
• 2.2.1.3 电解液性能检测31
• 2.2.2 圆柱形型电容器电极制备、电容器组装及性能测试31-33
• 2.2.2.1 极片制备及电容器组装31-32
• 2.2.2.2 电容器电化学性能测试32-33
• 2.2.3 超级电容器超低温及高耐电压性能评价33-35
• 第三章 超级电容器新型电解液的超低温特性研究35-47
• 3.1 前言35-37
• 3.2 电解液的物理性能参数37-38
• 3.2.1 电解液的水分测定37
• 3.2.2 不同温度下电解液的电导率37-38
• 3.3 新型电解液用于超级电容器的超低温电化学性能38-46
• 3.3.1 恒流充放电测试39-41
• 3.3.2 倍率性能测试41-42
• 3.3.3 交流阻抗测试42-44
• 3.3.4 循环伏安测试44-45
• 3.3.5 循环寿命测试45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 超级电容器新型电解液的耐电压特性研究47-61
• 4.1 前言47
• 4.2 试验部分47-48
• 4.2.1 不同浓度电解液的制备47-48
• 4.2.2 电极的制备及电容器的组装48
• 4.3 新型电解液用于超级电容器的耐电压性能48-59
• 4.3.1 恒流充放电测试48-52
• 4.3.1.1 基于不同浓度纯AN电解液电容器的耐电压测试49-50
• 4.3.1.2 基于不同浓度DBC-20%电解液电容器的耐电压测试50-52
• 4.3.2 倍率性能测试52-56
• 4.3.2.1 基于不同浓度纯AN电解液电容器的倍率性能测试53-54
• 4.3.2.2 基于不同浓度DBC-20%电解液电容器的倍率性能测试54-56
• 4.3.3 比能量-比功率测试56-58
• 4.3.4 循环寿命测试58-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第五章 全文结论及在今后工作中的展望61-63
• 5.1 论文主要结论61-62
• 5.2 对进一步研究的建议62-63
• 参考文献63-69
• 发表论文及参加科研情况69-71
• 致谢71

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本文编号：254261