专利名称：一种用于超级电容器的电解液和超级电容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种用于超级电容器的电解液和超级电容
器O
背景技术：
超级电容器是一种通过极化电解质实现储能的电化学元件，具有高放电比功率、优异的瞬时充放电性能和长循环寿命等优点，可以作为无污染的后备电源用于多种电器设 备，也可以与电池共同组成复合电源为电动汽车提供动力。研究表明，超级电容器的性能主要与所使用的电解液有关，如J. P. Zheng等人研 究发现电解液的浓度与电容器的电容、能量密度和功率密度等性能密切相关，电解液浓度 越高，其离子导电率也越高，相应的电容器的最大功率密度和能量密度也较高；同时，电解 液浓度越高，电容器的最大工作电压也越高(J.P.Zheng，Τ. R. Jow, The Effect of Salt Concentration in Electrolytes onthe Maximum Energy Storage for Double Layer Capacitors. J Electrochem. Soc. 1997，144，2417 2420)。目前电容器电解液主要有以水 作为溶剂的水系电解液和以有机物作为溶剂的有机系电解液两大类，其中，水系电解液由 于具有较高的导电率、电容器内部阻抗低、电解质分子直径小、价格低廉等优点而成为研究 执占之一。现有技术已经公开了多种无机物作为水系电解液中的电解质，如高浓度硫酸等强 酸性物质、氢氧化钾等强碱性物质以及碱金属的硫酸盐、硝酸盐、氯化盐等中性盐，但是强 酸、强碱类电解质具有腐蚀性，应用受到限制；而碱金属的硫酸盐、硝酸盐、氯化盐在水中的 溶解度都较低，如硫酸钠在20°C的水中的溶解度为19. 5g/100g，硝酸钾在20°C的水中的溶 解度为31. 6g/100g，使得电解液的浓度偏低，通常为0. 25M 1M，影响电容器的性能。高氯酸钠，又名过氯酸钠，化学式为NaClO4，是无毒无色晶体，常用作分析试剂、 氧化剂或用于制作炸药。高氯酸钠在水中的溶解度较大，0°c时的溶解度为167g/100g水， 20°C时的溶解度为201g/100g水。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于超级电容器的电解液和 超级电容器，以提高电解液的离子导电率，降低电解液的凝固点，提高超级电容器的能量密 度和功率密度。本发明提供了一种用于超级电容器的电解液，溶剂为水，溶质为高氯酸钠；其中，高氯酸钠的浓度为2M 6M。优选的，所述高氯酸钠的浓度为3M 5M。优选的，还包括醇类。优选的，所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。本发明还提供了一种超级电容器，包括
正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜和电解液；所述电解液为浓度为2M 6M的高氯酸钠水溶液。优选的，所述电解液为浓度为3M 5M的高氯酸钠水溶液。优选的，所述电解液还包括醇类。优选的，所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。优选的，所述正极为碳材料电极。优选的，所述负极为碳材料电极。与现有技术相比，本发明以溶解度较高的高氯酸钠为电解质溶解在水中配制电解 液，得到浓度为2M 6M的电解液。高浓度高氯酸钠水溶液的离子导电率较高，且高氯酸钠 在低温下不易析出，高氯酸钠水溶液凝固点较低，能够适应低温的工作环境。同时，高氯酸 钠水溶液中，钠离子为强碱离子，抗还原性比较强，高氯酸根离子为强酸离子，抗氧化性比 较强，因此，高氯酸钠水溶液具有较宽的电位窗，电化学性能较好。本发明以浓度为2M 6M 的高氯酸钠水溶液作为电解质的超级电容器具有较高的离子导电率，在充放电时容量衰减 缓慢，能量密度和功率密度较高。此外，本发明提供的电解液和超级电容器制备工艺简单、 原材料价格低廉、便于操作，降低了生产成本和使用成本。
图1为本发明实施例提供的超级电容器电极的扫速-比电容曲线图；图2为本发明实施例提供的超级电容器电极的ragone plot曲线图；图3为本发明实施例提供的电解液浓度为3M的超级电容器的恒流充放电测试曲线图；图4为本发明实施例提供的电解液浓度为5M的超级电容器的恒流充放电测试曲线图。
具体实施例方式电位窗是电解液电化学性能的评价指标之一，电位窗宽的电解液性能更佳，而阳 离子抗还原性越强、阴离子抗氧化性越强的无机盐电解液的电位窗较宽。抗还原性较强的 阳离子主要有铝离子、锂离子、钠离子和钾离子，但是铝盐易水解，不稳定；锂盐价格昂贵， 会增加成本；钾盐溶解度较低，在低温下极易析出导致应用受限；而钠盐一般都较为稳定、 便宜、溶解度高，适于用作电解质。抗氧化性较强的阴离子主要有氯离子、硫酸根离子，但是 氯盐中的氯离子在一定电位下容易氧化，应用受限；硫酸盐的溶解度较低，在低温下容易析 出导致电解液浓度较低，性能较差。高氯酸盐主要用作火箭燃料和烟火中的氧化剂和安全 气囊中的爆炸物，多数高氯酸盐可溶于水，尤其是高氯酸钠，极易溶解于水，在0°c的水中的 溶解度能达到167g/100g水。本发明提供了一种用于超级电容器的电解液，溶剂为水，溶质为高氯酸钠；其中，高氯酸钠的浓度为2M 6M，优选为3M 5M。本发明对所述高氯酸钠没有特殊要求，优选为从市场上购得。为了将水中的杂质离子对电解液的影响降到最低，本发明优选以去离子水为溶 剂。
本发明提供的电解液中优选包括醇类，所述醇类的作用是降低电解液的凝固点， 使电解液不易冻结。本发明对所述醇类没有特殊限制，优选为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。本发明对所述电解液的配制方法没有特殊限制，优选为向水中加入高氯酸钠，搅 拌使之充分溶解，得到电解液。本发明还提供了一种超级电容器，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜和电解液；所述电解液为浓度为2M 6M的高氯酸钠水溶液。按照本发明，所述正极优选为碳材料电极，更优选为微孔碳材料和介孔碳材料电 极；所述负极优选为碳材料电极，更优选为微孔碳材料和介孔碳材料电极；所述隔膜优选 为滤纸。
按照本发明，所述电解液优选为3M 5M的高氯酸钠水溶液。与现有技术相比，本发明以溶解度较高的高氯酸钠为电解质溶解在水中配制电解 液，得到浓度为2M 6M的电解液。高浓度高氯酸钠水溶液的离子导电率较高，且高氯酸钠 在低温下不易析出，高氯酸钠水溶液凝固点较低，能够适应低温的工作环境。同时，高氯酸 钠水溶液中，钠离子为强碱离子，抗还原性比较强，高氯酸根离子为强酸离子，抗氧化性比 较强，因此，高氯酸钠水溶液具有较宽的电位窗，电化学性能较好。本发明以浓度为2M 6M 的高氯酸钠水溶液作为电解质的超级电容器具有较高的离子导电率，在充放电时容量衰减 缓慢，能量密度和功率密度较高。此外，本发明提供的电解液和超级电容器制备工艺简单、 原材料价格低廉、便于操作，降低了生产成本和使用成本。为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的电解液及超级电容器进 行详细描述。实施例1将280. 98g市售的高氯酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为2M的电解液；使用DJS IOC型导电率仪测定上述电解液在室温下的导电率，为ZlSmScnT1 ；使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度 测定上述电解液的凝固点，为-26. 23°C。实施例2将421. 47g市售的高氯酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为3M的电解液；使用DJS IOC型导电率仪测定上述电解液在室温下的导电率，为ZTSmScnT1 ；使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度 测定上述电解液的凝固点，为-30. 68°C。实施例3将561. 96g市售的高氯酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为4M的电解液；使用DJS IOC型导电率仪测定上述电解液在室温下的导电率，为ZgZmScnT1 ；使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度 测定上述电解液的凝固点，为-36. 33°C。实施例4将702. 45g市售的高氯酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为5M的电解液；使用DJS IOC型导电率仪测定上述电解液在室温下的导电率，为296. SmScnT1 ；
使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度 测定上述电解液的凝固点，为-39. 32°C。实施例5将842. 94g市售的高氯酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为6M的电解液；使用DJS IOC型导电率仪测定上述电解液在室温下的导电率，为286. SmScnT1 ；使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度测定上述电解液的凝固点，为-55. 2°C。实施例6将6mgMaXSOrb和3mg导电粘合剂混合均勻后，涂覆在lcm2*lcm2不锈钢网集流器 上，在3MPa的压力下压成厚度均勻的膜，得到超级电容器电极。所述导电粘合剂为质量比 为21的乙炔黑和聚四氟乙烯的混合物。实施例7以实施例6制备的电极为工作电极、钼电极为对电极、Ag/AgCl (饱和KCl)电极为 参比电极组成电极体系，分别置于20mL实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的电 解液中，采用CHI700d电化学工作站在-0. 7V +0. 5V的电压范围内，分别以lmVs—1、5mVs"\ IOmVs入20mVs人50mVs人100mVs-1、150mVs-1和200mVs<的扫速获得上述电池体系的循环伏 安曲线图，并根据此曲线计算不同扫速下单电极的比电容，参见图1，图1为本发明实施例 提供的超级电容器电极的扫速-比电容曲线图，其中，曲线a为在实施例1制备的电解液中 得到的扫速_比电容曲线图，曲线b为在实施例2制备的电解液中得到的扫速-比电容曲 线图，曲线c为在实施例3制备的电解液中得到的扫速_比电容曲线图，曲线d为在实施例 4制备的电解液中得到的扫速-比电容曲线图。其中，比电容SC = i/vm, i表示电流，ν表示电位扫速，m为活性材料质量。实施例8以实施例6制备的电极分别为正负极，以滤纸作为正负极间隔膜，分别量取4mL实 施例2和实施例4制备的电解液放入塑料离心管中，采用LAND系列电池测试系统，在1. 2V 工作电压下，分别在1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA和IOmA的电流密度下进行充 放电测试，得到电极的ragone plot曲线，参见图2，图2为本发明实施例提供的超级电容器 电极的ragone plot曲线图，曲线A为在实施例2制备的电解液中得到的ragon印lot曲线 图，曲线B为在实施例3制备的电解液中得到的ragone plot曲线图。实施例9以实施例6制备的电极分别为正负极，以滤纸作为正负极间隔膜，量取4mL实施例 2制备的电解液放入塑料离心管中，采用LAND系列电池测试系统，在1. 2V工作电压下，分别 在1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA和IOmA的电流密度下进行充放电测试10000 次，参见图3，图3为本发明实施例提供的电解液浓度为3M的超级电容器的恒流充放电测试 曲线图。实施例10以实施例6制备的电极分别为正负极，以滤纸作为正负极间隔膜，量取4mL实施例 4制备的电解液放入塑料离心管中，采用LAND系列电池测试系统，在1. 2V工作电压下，分别 在1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA和IOmA的电流密度下进行充放电测试10000次，参见图4，图4为本发明实施例提供的电解液浓度为5M的超级电容器的恒流充放电测试 曲线图。实施例11将702. 45g市售的高氯酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为5M的电解液；向上述电解液中加入0. 25g甲醇，得到含有甲醇的电解液。使用DJS IOC型导电率仪测定上述含有甲醇的电解液在室温下的导电率，为 235. 2mScm_1 ；使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度 测定上述含有甲醇的电解液的凝固点，为-66. 8 0C。对比例1将142. 04g市售的硫酸钠溶于IL去离子水中，得到浓度为IM的电解液； 使用DJS IOC型导电率仪测定上述电解液在室温下的导电率，为142. SmScnT1 ；使用PerkinElmer差热分析仪在25°C _70°C的范围内，以1°C /min的降温速度 测定上述电解液的凝固点，为-14. 8°C。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行 若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
一种用于超级电容器的电解液，其特征在于，溶剂为水，溶质为高氯酸钠；其中，高氯酸钠的浓度为2M～6M。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述高氯酸钠的浓度为3M 5M。
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，还包括醇类。
4.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。
5.一种超级电容器，其特征在于，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜和电解液； 所述电解液为浓度为2M 6M的高氯酸钠水溶液。
6.根据权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，所述电解液为浓度为3M 5M的高 氯酸钠水溶液。
7.根据权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，所述电解液还包括醇类。
8.根据权利要求7所述的超级电容器，其特征在于，所述醇类为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇。
9.根据权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，所述正极为碳材料电极。
10.根据权利要求5所述的超级电容器，其特征在于，所述负极为碳材料电极。
全文摘要
本发明提供了一种用于超级电容器的电解液，溶剂为水，溶质为高氯酸钠；其中，高氯酸钠的浓度为2M～6M。本发明还提供了一种超级电容器，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜和电解液；所述电解液为浓度为2M～6M的高氯酸钠水溶液。高浓度高氯酸钠水溶液的离子导电率较高，且高氯酸钠在低温下不易析出，高氯酸钠水溶液凝固点较低，能够适应低温的工作环境。同时，高氯酸钠水溶液具有较宽的电位窗，电化学性能较好。本发明提供的超级电容器具有较高的离子导电率，在充放电时容量衰减缓慢，能量密度和功率密度较高。此外，本发明提供的电解液和超级电容器制备工艺简单、原材料价格低廉、便于操作，降低了生产成本和使用成本。
文档编号H01G9/035GK101840784SQ20101014936
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者殷娇, 王宏宇, 齐力 申请人:中国科学院长春应用化学研究所