一种基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液及其应用

1.本发明涉及一种基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液及其应用，属于电化学储能技术领域。
技术背景
2.水系碱性的超级电容器和电池等电化学储能器件的基本组成单元是电极、隔膜和水系碱性电解液，其中，工作温度对电解液的离子输运过程影响非常显著，进而对其电极过程也影响极大。在实际应用中，这些储能器件在冬夏之间或昼夜之间的工作温度的温差可能会超过几十甚至上百摄氏度。于是，仅由无机碱(电解质)溶于水(溶剂)组成的高凝固点的简单水系碱性电解液难以满足实际应用需求，尤其是难以在低温的冬季或夜晚保持正常工作，且在不同工作温度下存在着电解液离子的输运性能差异大等缺点，主要体现在水系碱性的超级电容器和电池等电化学储能器件的电荷存储容量变化大和倍率性能差异大等，从而当工作环境存在较大温度变化时，这些储能器件的储能性能可能会变得不稳定，甚至不能正常工作或损毁，从而极大地限制了它们的全天、全季节以及极端温度领域(如航空航天和极地考察等)的应用。
3.因此，需要设计开发一种拥有超宽工作温度范围的水系碱性电解液以解决上述存在的技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液及其应用。该基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液具有无毒、不可燃、廉价、配制及储存条件简单、适于大小规模的商业生产的优点；基于水系碱性电解液的电化学储能器件能在超宽工作温度范围
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70℃～100℃使用，大大增加了基于水系碱性电解液的电化学储能器件的全天、全季节以及极端温度领域适用性。
5.本发明的目的在于提供一种基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液，所述水系碱性电解液由溶质和溶剂两部分混合形成；所述溶质为碱金属氢氧化物中的一种或二种以上，所述碱金属氢氧化物为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷或氢氧化铯；所述溶剂为由水和二甲基亚砜组成的超分子溶剂。
6.由于采用上述方法，含氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷或氢氧化铯一种或两种以上的碱金属氢氧化物与由水和二甲基亚砜组成的超分子溶剂混合形成具有超宽工作温度范围的水系碱性电解液，应用于电化学储能器件，能使电化学储能器件在
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70℃～100℃工作，且储能性能相对稳定。
7.优选地，所述碱金属氢氧化物的摩尔浓度为0.5～6mol/l。
8.由于采用上述方法，在相同溶剂且不改变溶剂物理状态的情况下，溶质浓度越高则储能器件在工作温度范围内的储能性能越稳定。
9.优选地，所述水和二甲基亚砜的摩尔比为19～2.5:1。
10.由于采用上述方法，将19～2.5:1的水和二甲基亚砜进行混合形成溶剂，如果水和二甲基亚砜的量过多或过少，都将影响储能性及其工作温度范围。
11.由于采用上述方法，在19～2.5:1范围内，水和二甲基亚砜的摩尔比越小，则电解液的可工作温度范围越宽。
12.优选地，所述水为去离子水。
13.本发明另一目的是将上述水系碱性电解液应用在电化学储能器件中，基于水系碱性电解液的电化学储能器件能在超宽工作温度范围
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70℃～100℃使用。
14.本发明的有益效果是：
15.(1)本发明基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液，具有极宽的工作温度范围，基于该水系碱性电解液的电化学储能器件在超宽工作温度范围
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70℃～100℃的储能性能相对稳定；本发明大大增加了基于水系碱性电解液的超级电容器和电池等电化学储能器件的全天、全季节以及极端温度领域适用性。
16.(2)本发明的基于超分子的超宽工作温度范围的水系碱性电解液组分构成简单，易于实现。
17.(3)本发明电解液无毒、不可燃、廉价、配制及储存条件简单、适于大小规模的商业生产。
附图说明
18.图1为实施例1在
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40℃～80℃温度范围内的电容保持率示意图；
19.图2为实施例2在
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70℃～100℃温度范围内的电容保持率示意图；
20.图3为实施例3在
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40℃～80℃温度范围内的电容保持率示意图；
21.图4为实施例4在
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40℃～80℃温度范围内的电容保持率示意图。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述实施例内容。
23.实施例1：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为6mol/l的氢氧化钾，溶剂是以摩尔比为10:1的去离子水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围，并且，在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率，其中，在
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40℃～80℃温度范围内的电容保持率(相对于25℃)如图1所示，可见在
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40℃～50℃温度范围内的电容变化率小于10％。
24.实施例2：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为4.5mol/l的氢氧化钠与氢氧化钾的混合物，溶剂是以摩尔比为7:1的去离子水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围，并且，在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率，其中，在
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70℃～100℃温度范围内的电容保持率(相对于25℃)如图2所示，可见在
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50℃～50℃温度范围内的电容变化率小于10％。
25.实施例3：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为1.5mol/l的氢氧化钾，溶剂是以摩尔比为3:1的去离子水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围，并且，在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率，其中，在
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40℃～80℃温度范围内的电容保持率(相对于25℃)如图3所示，可见在
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20℃～50℃温度范围内的电容变化率小于10％。
26.实施例4：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为1mol/l的氢氧化钠，溶剂是以摩尔比为3:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围，并且，在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率，其中，在
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40℃～80℃温度范围内的电容保持率(相对于25℃)如图4所示，可见在
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20℃～50℃温度范围内的电容变化率小于10％。
27.实施例5：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为0.5mol/l的氢氧化钠，溶剂是以摩尔比为2.5:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
28.实施例6：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为6mol/l的氢氧化钠，溶剂是以摩尔比为19:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
29.实施例7：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为1mol/l的氢氧化锂，溶剂是以摩尔比为10:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
30.实施例8：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为0.5mol/l的氢氧化铷，溶剂是以摩尔比为2.5:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
31.实施例9：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为2mol/l的氢氧化铯，溶剂是以摩尔比为5:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
32.实施例10：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为1mol/l的氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂，溶剂是以摩尔比为19:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范
围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
33.实施例11：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为5mol/l的氢氧化钠、氢氧化铷和氢氧化铯，溶剂是以摩尔比为16:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
34.实施例12：配制电解液，并匹配以活性炭作为电极材料，组装对称型超级电容器。其中，电解液的溶质为5mol/l的氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化铷，溶剂是以摩尔比为18:1的水和二甲基亚砜构建的超分子溶剂。该器件的工作电压是0～1v，具有极宽的可工作温度范围；并且在0.8v的充电电压窗口和1a/g的充放电电流密度条件下，其在工作温度范围内拥有相对稳定的电容保持率(相对于25℃)。
35.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
36.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。