一种水溶液为电解质的超级电容器及其应用的制作方法

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种水溶液为电解质的超级电容器及其应用。本发明还涉及该种电容器在电力系统中的应用。

背景技术：

为了响应节约能源和保护环境的号召，新的能源储存系统层出不穷。例如扬水储能，太阳能电板、锂空气电池、水溶液可充锂电池、超级电容器等。在这些能源储存系统中，研究者们更加侧重于向绿色环保的超级电容器方向发展，由于其主要的电极材料为绿色环保的碳基材料(如活性炭)。这有利于节约地球有限的资源，符合可持续发展的战略。

现如今，采用使用活性炭作为电极材料的超级电容器存在能量密度低的缺点(胡中华、杨静、刘亚菲、陈晓妹，一种超级电容器用活性炭电极材料的制备方法，CN200710171260.5，2007.11)。因此，如何提高超级电容器的能量密度很有必要。例如采用纳米孔(胡秀杰、白晓霞、严峻、孙承华、周树云、肖时卓、陈萍，用于超级电容器的三维纳米结构的电极材料及其应用，CN201210280586.2，2012.08)、金属化合物制备的碳基多孔材料(谭强强、智平、童建忠，一种用于超级电容器的碳基多孔电极薄膜及其制备方法，CN200410009580.7，2004.09)、石墨烯(罗卫波、宋勃，三维石墨烯网络增强活性炭超级电容器极片的制备方法，CN201410209687.X，2014.05)。但是，他们取得的效果非常有限，因为材料的比表面积和赝电容无法得到大规模的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水溶液为电解质的超级电容器及其应用，该电容器是以添加卤素离子作为超级电容器电解质的方法。该电容器可以大幅度提高超级电容器的能量密度，以克服超级电容器能量密度低的缺陷。

本发明提供的通过以卤素离子作为电解质来提高超级电容器能量密度的方法，其特征在于：由负极、正极和电解质组成，其中：

(1)所述负极为碳基材料、嵌入化合物或其改性物；

(2)所述电解质为卤素离子；

(3)所述正极为碳基材料、嵌入化合物或其改性物。

本发明中，所述的碳基材料为有活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、富勒烯以及碳的其他同素异形体或其中几种的混合物。所述的嵌入化合物为有锰的氧化物或其改性物包括M_xMnO₂，或其掺杂物、包覆类化合物和混合物；其中，以M表示碱金属离子，0<x<1.20。

所述的锰的氧化物包括α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂、λ-MnO₂、钡镁锰，以及不同晶型的化合物或其中几种的混合物。

本发明中，所述的卤素离子包括含有溴离子、碘离子、含有这两种离子的络合物的水溶液、水凝胶或者它们的混合物。

另外，本发明还提供含有卤素离子作为电解质的超级电容器的应用，即用于电力的储存和释放。

本发明提供的一种含有卤素离子作为电解质的超级电容器。该超级电容器由于采用卤素离子作为电解质，活性炭等具有吸附能力的材料作为正负极，能够显著的提高超级电容器的能量密度，因此能够最大限度的减少经济成本。

附图说明

图1是实施例1在不同扫描速率下测得的循环伏安曲线。

图2是对比例1在不同扫描速率下测得的循环伏安曲线。

图3实施例2与对比例2的(a)倍率曲线。

图4实施例2与对比例2的(b)功率密度图。

图5是实施例3的循环测试图。

图6是实施例1的机理示意图。

具体实施方式

如图1至图6，下面将通过实施例和对比例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

一种水溶液为电解质的超级电容器，电解质含有卤素离子。

(1)所述负极为碳基材料、嵌入化合物或其改性物；

(2)所述电解质为卤素离子；

(3)所述正极为碳基材料、嵌入化合物或其改性物。

所述的碳基材料为有活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、富勒烯或其它碳的其他同素异形体或其中几种的混合物。

所述的嵌入化合物为有锰的氧化物以及其改性物包括M_xMnO₂，或其掺杂物、包覆类化合物或混合物；其中，以M表示碱金属离子，0<x<1.20。

所述的锰的氧化物包括α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂、λ-MnO₂、钡镁锰，以及不同晶型的化合物或其中几种的混合物。

所述的卤素离子包括含有溴离子、碘离子以及含有这两种离子的络合物的水溶液、水凝胶或者它们的混合物。

本发明还包括一种水溶液为电解质的超级电容器在电力的储存和释放中的应用。

实施例1：

以0.5mol L^-1 LiBr和0.5mol L^-1 H₂SO₄混合溶液作为电解液，正极为活性炭(Activated Carbon，AC)，对电极为碳棒，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。从而组装一个三电极体系。然后分别在2、5、10、20、40mV s^-1的扫描速率下进行循环伏安测试。为了比较方便起见，这些数据汇总于图1中。

对比例1：

除了电解液改为0.5mol L^-1 H₂SO₄，其他测试条件与实施例1相同。根据测试结果，同样记录其不同扫描速率下的循环伏安曲线，为了比较方便起见，这些数据汇总于图2中。

从图1和图2可以看出，实施例的循环伏安曲线呈现一对明显的氧化还远峰，其反应机理如图4所示，对比例的循环伏安图主要展现出双电层性质。与对比例比较，可以发现，实施例在相同扫描速率下的循环伏安图与对比例相比具有更大的容量性质，这点可以从循环伏安曲线的纵坐标可以看出。

实施例2：

以0.5mol L^-1 LiBr和0.5mol L^-1 H₂SO₄混合溶液作为电解液，正极和负极均为活性炭，且其质量比为1:1，从而得到一个AC//AC型超级电容器。然后分别在电流密度为2、3、4、5、6A/g的电流密度下电压窗口为0-2V间进行恒流充放电测试。为了比较方便起见，这些数据汇总于图3中。

对比例2：

除了电解液改为0.5mol L^-1 H₂SO₄，其他测试条件与实施例2相同。根据测试结果，同样记录其不同电流密度下的恒流充放电比容量，为了比较方便起见，这些数据汇总于图3中。

从图3的倍率性能图和能量功率图可以看出，添加溴离子作为电解液的AC//AC电容器的能量密度比对比例的能量密度大约要高5-10倍，同时具有较高的能量密度和功率密度。因此以此种方法组成的超级电容器具有明显的优势，具有良好的应用价值。

实施例3：

以0.5mol L^-1 LiBr和0.5mol L^-1 H₂SO₄混合溶液作为电解液，正极和负极均为活性炭(Activated Carbon，AC)，从而组装一个三电极体系。然后在2A/g的电流密度下进行循环性能测试。经过1000次循环充放电之后，容量保持率为83.6％，为了比较方便起见，这些数据汇总于图1中。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。