[发明专利]一种高压水系电解液及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一中高压水系电解液及其制备方法和在超级电容器中的应用，属于水系超级电容器的制备领域。本发明将盐溶质加入到离子水或蒸馏水中，得到混合溶液，再将添加剂加入混合溶液得到一种高压水系电解液。该制备方法可以通过控制溶质、添加剂的种类、添加剂的含量来控制电解液的电导率、粘度及电化学稳定窗口；可以通过添加剂来调节电极材料表面的疏水性，从而增强电解质在其表面的吸附。制备得到的高压水系电解液对环境无害、无毒，不易燃烧，成本低，在超级电容器中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于水系超级电容器的制备领域，具体涉及一种高压水系电解液及其制备方法和其在超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器作为一种电化学储能器件，因其具有超高的功率密度和优异的循环寿命而被广泛关注。然而相对较低的能量密度限制了它们进一步的实际应用。根据公式可知，影响超级电容器能量密度的主要因素有电极材料、工作电压等，提升超级电容器的能量密度可以通过增加比容量(C)或提高电压窗口(U)来实现。目前提高电压窗口是提高超级电容器能量密度最为有效的方法。超级电容器的电压窗口主要由电解液决定，常用于超级电容器的电解液分为水系、有机系、离子液体及固态电解液。有机系超级电容器可以提供稳定的宽电压窗口(≥2.5V)，但它的缺点是离子导电性低、具有可燃性和毒性。和有机系类似，离子液体超级电容器的电压窗口虽可高达4.0V，然而离子液体的电导率比有机系的更低，而且电解液具有较高的黏度从而增加等效串联电阻(ESR)，导致较差的功率性能和倍率特性。此外，这两种电解液对水敏感，所以在制备过程中要求更加严格，成本更高。对于固态超级电容器来说，因其在室温下具有很低的离子导电性而受到一定的限制。与以上的非水系超级电容器相比，水系超级电容器通常具有更大的比容，更高的功率密度，这是因为水系电解液离子尺寸更小，电导率更高，更重要的是这种电解液对环境友好、成本低廉，可进行大规模的生产。因此，水系电解液成为超级电容器研究领域的热点。然而，由于水的分解电压只有1.23V，所以水系超级电容器的电化学稳定窗口很窄，这也是目前限制水系超级电容器发展的主要原因。

拓宽水系超级电容器电化学窗口的方法主要有两种：一种是设计特殊电极材料来扩大电化学稳定窗口。如Zhao等人以碳纳米纤维上垂直生长的MnO₂为电极材料制备了一种水系超级电容器，它的电化学稳定窗口约为2V。Wang和Dai等人运用电化学沉积法沉积MnO₂基电极，并组装成非对称的超级电容器，此电容器的电化学稳定窗口为2.2V，在5000次循环后的容量保持率为88.6％。虽然这种方法可以将水系超级电容器的电化学稳定窗口扩大至2V以上，但在数千次循环后的电化学性能会大幅度下降。另一种改善水系超级电容器稳定窗口的方法是以碳基材料为电极，并配以特殊的水系电解液来组装对称的超级电容器。这些特殊的水系电解液具有较高的过电位，从而可以拓宽电化学稳定窗口。比如发明专利CN104134549A公开了一种采用硝酸镁水溶液为电解液，电化学窗口为1.2V～1.9V的超级电容器。Wang等人采用石墨为电极，中性硫酸钠为电解液制得的超级电容器的工作电压为1.8V。这种方法虽然能够扩宽电压窗口，但对于实际应用来说电压相对较小，器件的能量密度也并未得到进一步提高。

发明内容

本发明是针对目前水系超级电容器电化学稳定窗口小，能量密度低等问题，提供一种高压水系电解液及其制备方法和在超级电容器中的应用，从而提高超级电容器的工作电压及能量密度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种高压水系电解液的制备方法，包括以下步骤：

1)将盐溶质加入到去离子水或蒸馏水中，搅拌至盐溶质完全溶解，得到混合溶液；

所述盐溶质为硫酸盐、铵盐和亚胺盐中的一种或几种；所述硫酸盐在形成的混合溶液中的质量分数为1％～19％，铵盐在形成的混合溶液中的质量分数为0.5％～30％，亚胺盐在形成的混合溶液中的质量分数为0.1％～10％；

2)在混合溶液中加入添加剂进行反应，得到一种高压水系电解液；