[发明专利]基于水系酸性电解质的电化学混合电容器

说明书

技术领域

本发明专利涉及基于水系酸性的电化学混合电容器，属于化学电源技术领域。 

背景技术

随着经济的不断发展以及化石资源的枯竭和环境污染的不断加剧。新能源、高效能源利用技术、环境技术的综合高效率的开发和利用已经成为十分必要的课题。由于超级电容器(又称电化学电容器)，具有存储可达到静电电容器的10倍以上的能量和具有比电池高出10到100倍的功率密度，可瞬间释放大电流密度，以及充放电效率高、低温性能优越、循环使用寿命长以及无记忆效应等特点。因此，超级电容器不仅在电动汽车上具有非常明显的优势，而且它作为备用电源、独立供电电源特别是作为高脉冲电流在通信、工业、航空航天、国防等领域得到广泛应用。现今使用最为广泛的电化学电容器材料主要是基于双电层储能机制，即碳材料表面吸附带相反电荷的离子，称为电化学双电层电容器(EDLC)，其比功率高达2000W/kg，但能量密度偏小。后来又出现了一种以法拉第准为一极的新型电容器，使得能量密度有所提高。 

然而随着社会经济的不断发展，这些超电容已经渐渐赶不上人们对储能密度不断提高的需求。因此，改善超级电容器的比能量密度将是科研人员的首要任务。根据公式E＝1/2CV²，其能量密度(E)与电极材料的比容量(C)和工作窗口(V)的平方成正比关系。考虑到对于水系电容器，由于受到水分解电压(1.23V)的限制，要想提高其比能量密度，从提高电极材料的比容量的角度入手显得尤为重要。但是我们发现，在这方面的研究则主要集中于电极材料比容量的提高，对于电解质溶液对电容器比容量的报道却比较少。在此，经过不断的探索和研究，我们发现在支持电解质溶液中添加部分易溶的金属盐后，可以有效的提高电容器的比能量密度，这对于现实生产具有十分有益的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效提高水系超级电容器比能量密度的方法，并以此为基础提供一系列具有更高比能量密度的对称与非对称的水系电化学电容器。 

一种基于水系酸性电解质的电化学混合电容器，由正极材料、负极材料、以及介于两者之间的含有阴阳离子并具有离子导电性的支持电解质组成，其中正极采用适用于水系无机酸溶液的电极材料以及碳材料；所述负极材料采用多孔结构的活性炭、介孔碳、碳纤维以及碳气凝胶中的一种或两种以上的混合物；所述支持电解质为含有金属盐的水系酸性溶液，其中金属盐包括易溶于H₂SO₄、H₃PO₄、HCl或者HNO₃溶液的含有+1、+2、+3价态的无机金属离子的金属盐的一种或两种以上的混合。 

上述的基于水系酸性电解质的电化学混合电容器，所述金属盐为硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、醋酸盐、草酸盐、卤盐的一种或者几种的混合，所含无机金属离子是碱金属离子、碱土金属离子、稀土金属离子、铝离子、镁离子、锌离子或铵根离子的一种或者几种的混合。 

通过使用本发明的方法，在酸性电解质中添加上述金属盐，由于这些金属盐所含金属离子相对于H⁺具有更小的水合离子半径，因此在碳材料当中，他们可以有效地增大表面的电荷堆积密度，此外又可以在H⁺所无法利用微孔中产生双电层电容，从而有效的增加了上述碳材料在酸性电解质中的容量，由此也使得以前述中碳材料为负极的对称与非对称的水系电化学电容器具有更高比能量密度。 

附图说明

图1活性炭在1M H₂SO₄，1M H₂SO₄+0.2M Li₂SO₄，1M H₂SO₄+0.2MNa₂SO₄和1M H₂SO₄+0.2M K₂SO₄电解质中的循环伏安图(扫速按箭头方向依次为5，10，15，20，30，40，50mVs^-1)。