一种用于碳基超级电容器的杂多酸水系电解液

1.本发明涉及电化学储能技术，具体是一种用于碳基超级电容器的杂多酸水系电解液。


背景技术：

2.超级电容器作为一种储能器件之一，在众多领域中均有应用，目前商用的双电层电容器主要以碳材料为电极材料，具有稳定性好、充放电快等优点，但双电层电容器比容量相对较低的特点极大限制了碳基超级电容器的使用，相对而言，虽然赝电容电极材料有较高的比容量，但循环稳定性较差，难以投入实际应用。
3.事实上，超级电容器的电化学性能不仅取决于超级电容器的电极材料，它还与超级电容器的组装工艺和器件设计等方面有关，除此之外，选择不同的电解液对于超级电容器的各项性能也有不同的影响。例如：有机电解液可有效拓宽超级电容器的电位窗口，但有机电解液制造成本高，导电性较差，且不环保，不太适合大规模使用，而传统的水系电解液有着成本低廉的优点，但如硫酸等酸性电解液易对器件造成腐蚀，而且硫酸等传统水系电解液只是作为一种提供质子的介质，对超级电容器的电容性能并没有显著贡献，所以极大限制了水系电解液的使用范围。
4.针对上述此类问题，在一些研究中，研究者通过在电解液加入ki、kbr、苯醌、亚甲基蓝和氢醌等具有氧化还原性的物质来提高超级电容器的电容性能，但由于此类材料化学性质不太稳定，所以往往使其循环稳定性较差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种用于碳基超级电容器的杂多酸水系电解液。这种电解液能提高碳基超级电容器的比容量,且循环寿命良好。
6.实现本发明目的的技术方案是：
7.一种用于碳基超级电容器的杂多酸水系电解液，所述杂多酸水系电解液中设有ph值为1.0
‑
6.0的溶剂和杂多酸，其中，溶剂为水系溶剂或油系溶剂，溶剂和杂多酸为盐酸、硫酸、磷钼酸、磷钨酸、锰钒酸和磷钼钒杂多酸中的一种或它们的混合液。
8.所述溶剂为水、乙醇或乙腈中的一种。
9.所述杂多酸至少包含p、mn、mo、si、v和o中的一种元素。
10.所述杂多酸在电解液中的浓度为0.01
‑
0.5m。
11.优选地杂多酸在电解液中的浓度为0.05
‑
0.3m。
12.一种超级电容器，所述超级电容器设有正极、负极、隔膜以及电解液，所述超级电容器的正极和负极为同一种碳材料、且至少为碳纳米管、石墨烯、活性炭ac或碳微球中的一种，所述超级电容器中的电解液为上述电解液中的一种。
13.本技术方案选用杂多酸加入到电解液中，杂多酸是一种多金属氧酸盐，它较大的分子结构使其具有良好的稳定性，同时，杂多酸中的大多数过渡金属离子(如：mo、v、mn等)
均具有多种价态，具有良好的氧化还原可逆性，本技术方案以杂多酸作为碳基超级电容器的电解液，成功制备出了容量较高、循环稳定性良好的超级电容器。
14.超级电容器在使用制备得到的电解液后，可增大碳基超级电容器的比容量，循环稳定性良好，超级电容器比容量增大的机理为：在超级电容器充电时，正极发生氧化反应，将低价态的过渡金属氧化成高价态，并吸附在电极材料表面，负极发生还原反应，将高价态的过渡金属还原成低价。
15.这种电解液能提高碳基超级电容器的比容量,且循环寿命良好。
附图说明
16.图1为实施例中用0.1m h4pmo9v3o
40
电解液与1.0m h2so4电解液所制备的超级电容器循环伏安测试对比图，其中扫速为0.005v s
‑1；
17.图2为实施例中用0.1m h4pmo9v3o
40
电解液与1.0m h2so4电解液所制备的超级电容器恒流充放电对比图，其中所设置的电流密度为0.5a g
‑1；
18.图3为实施例中用0.1m h4pmo9v3o
40
电解液与1.0m h2so4电解液所制备的超级电容器循环寿命对比图，其中，电流密度为1.0a g
‑1，循环次数为3000次。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
20.实施例：
21.本例中电解液包括水、杂多酸和h2so4，正极和负极材料为碳基材料，隔膜为纸隔膜，具体地：
22.实施例1：
23.1)制备杂多酸：称取26.650g namo4·
2h2o和1.420g na2hpo4，将它们溶于水中，将所得溶液加热至100℃并回流0.5h，然后加入1.170g nh4vo3，继续加热回流0.5h，然后用1:1的h2so4调节溶液的ph至2.0
‑
2.5，停止加热，并将溶液搅拌至室温，用乙醚萃取，在萃取过程中，缓慢加入1:1的h2so4，取下层橘红色产物，待乙醚挥发完全后，将橘红色产物溶于水中重结晶，然后过滤，烘干得到产品h4pmo
11
vo
40
，根据反应物用量的不同，分别制备得到不同钒掺杂量的杂多酸，反应物配比如下表1所示：
24.表1：
[0025][0026]
2)制备电解液：分别将0.001mol的不同钒掺杂量的杂多酸溶于10ml h2o，制备成不同电解液；
[0027]
3)超级电容器的制备：制备电极片过程为：先称取0.040g质量分数为60％聚四氟乙烯(ptfe)的乙醇溶液，加入7.000g乙醇，搅拌1h，再加入0.024g乙炔黑(ab)，继续搅拌1h，然后再加入0.192g ac，继续搅拌3h，最后加热至65℃至乙醇溶液挥干得到黑色膏状物，将膏状物擀成薄片并用模具裁剪成直径为1.2cm的圆形薄片，并将圆形薄片放入60℃的真空干燥箱中烘12h；
[0028]
4)组装纽扣式超级电容器：电容器从下至上，依次为负极壳、负极、电解液、隔膜、正极、电解液、负极壳的顺序组装，并用电池封口机封口。
[0029]
电化学性能测试：将上述制成的超级电容器在上海辰华chi660e上使用循环伏安法和恒流充放电法进行测试，循环伏安法的扫描速率分别为0.05、0.03、0.02、0.01、0.005v s
‑1，恒流充放电的电流密度分别设置为0.5、1、2、5、10a g
‑1，并在蓝电20001a上进行循环寿命测试，测试条件是电流密度为1a g
‑1，循环次数为3000次。
[0030]
对比例1：取电解液为1.0m h2so4，对比例1中超级电容器所用电极材料与组装方法与实施例1相同，对比例1与实施例1超级电容器循环伏安测试对比图、恒流充放电对比图、循环寿命对比图分别如图1、图2、图3所示。
[0031]
实施例2：
[0032]
制备电解液：将实施例1中制备的h4pmo9v3o
40
溶于水，分别配制成浓度为0.05m、1.0m和0.15m的电解液，另外将0.001mol h4pmo9v3o
40
溶于0.1m h2so4中配制成混合电解液；
[0033]
组装纽扣式超级电容器：本例超级电容器所用电极材料与组装方法与实施例1相同。
[0034]
实施例3：
[0035]
制备电解液：将商品磷钼酸溶于水，分别配制成浓度为0.05m、1.0m和0.15m的电解液，另外将0.001mol磷钼酸溶于0.1m h2so4中配制成混合电解液；
[0036]
组装纽扣式超级电容器：本例超级电容器所用电极材料与组装方法与实施例1相同。
[0037]
用实施例1
‑
实施例3、对比例1所制备的电解液制备的各超级电容器在电流密度为1.0a g
‑1下各超级电容器的比电容性能如下表2所示：
[0038]
表2：
[0039][0040]
综上：本例中以杂多酸作为电解质，制备成超级电容器所用的电解液，超级电容器的比容量显著提高，随杂多酸在电解液中浓度的提高，其比容量呈线性增加趋势，并且随着杂多酸中钒含量的增加，容量也呈线性增加的趋势。