專利名稱：一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超級(jí)電容器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液及其制備方法。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容器是一種利用電化學(xué)的電容原理儲(chǔ)能的設(shè)備，具有功率密度高，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，可以用作不穩(wěn)定電流的儲(chǔ)存(如風(fēng)能與潮汐能)，以及大型交通工具(如輪船或飛機(jī))的備用照明電源，也可用作電池的調(diào)峰 值功能使用。但與鋰離子電池相比，超級(jí)電容器的能量密度比較低，在一些比如體積小，重量級(jí)的交通工具與移動(dòng)電子設(shè)備方面的應(yīng)用受到限制。超級(jí)電容器主要由電極材料、電解液、隔膜與集體流及包裝殼體等構(gòu)成，雖然電極材料是產(chǎn)生電容的唯一物質(zhì)，但其必須在一定的電解液中，在一定電壓下由電解液中的離子擴(kuò)散到其表面，才能建立起電容性能。雖然電極材料的種類繁多，但電解液只有水性電解液(含KOH *H2S04)，有機(jī)電解液(如四氟硼酸四乙基銨、3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽、雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑等溶解在碳酸丙烯酯或乙腈中)或離子液體(如N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽，四氟硼酸四乙基銨、N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽，二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽等)三大類。其中水性電解液的電導(dǎo)率最高，但僅能在IV左右的電壓下工作，無法獲得高的能量密度。有機(jī)電解液可以在3-4V的電壓下工作，而離子液體型電解液可以在3-6V下工作，理論上可以獲得更高的能量密度。然而，有機(jī)電解液與離子液體型電解液的電導(dǎo)率均顯著低于水性電解液，內(nèi)阻大不但不利于獲得更高的功率密度，而且無法獲得良好的循環(huán)壽命。這些缺點(diǎn)影響到了其商業(yè)化應(yīng)用與放大。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液及其制備方法。一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液，由傳統(tǒng)電解液與碳納米材料組成，其中碳納米材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%-1%。所述的傳統(tǒng)電解液為有機(jī)電解液或離子液體；所述的有機(jī)電解液包括但不限于四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯，3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯，雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯，四氟硼酸四乙基銨/乙腈，3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/乙腈，雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈；所述的離子液體包括但不限于四氟硼酸四乙基銨，N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽，N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽，二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的一種或多種；所述的碳納米材料為碳納米管、納米石墨和納米碳顆粒中的一種或多種；其中所述的碳納米管的直徑為0.4-100 nm，長度為20nm_100 μ m ;所述的納米石墨的厚度為O. 34nm_100nm,最大尺寸為100 μ m ;所述的納米碳顆粒的直徑為O. 7nm_100nm。一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液的制備方法，步驟如下在含氧量為O. 1-1 PPM、含水量為O. 1-1 PPM的環(huán)境中，將碳納米管、納米石墨或納米碳顆粒中的一種或多種在20-60°C、功率為30-3000W的條件下超聲2_50小時(shí)或在20-60°C條件下以300-40000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速攪拌2_50小時(shí)，使之分散在傳統(tǒng)電解液中；然后靜置于常溫下、在與水和氧隔絕的環(huán)境下密封保存。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提出的用于高電壓超級(jí)電容器的電解液導(dǎo)電率為傳統(tǒng)電解液的1. 3-2倍；使用的電壓窗口與所用的傳統(tǒng)電解液相同；與使用相對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)電解液的電容器相比，使以碳材料(如碳納米管，納米石墨，活性碳，納米碳顆粒中的一種或多種，或添加聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯粘接劑的上述電極材料)為電極材料的超級(jí)電容器比電容或功率密度增加20-200%，使用的功率密度范圍提高50-100%，循環(huán)壽命提高50-200% ；在填加少量碳納米材料的前提下，電導(dǎo)率大幅度提高，因而電容器的比電容、能量密度、功率密度與循環(huán)壽命大幅度提高；在制備成本增長不太大的情況下，使電容器的可用年限大幅度提高，相當(dāng)于節(jié)省了成本；在填加少量碳納米材料時(shí)，電解液的粘度略有上升，但在實(shí)際制備電容器過程中，有利于涂膜，因而損耗較小，相當(dāng)于降低了實(shí)際操作過程中電解液的損耗量，可降低電容器制備成本的5-10% ；由于電解液的內(nèi)阻降低了 50-100%，故可以制作體積更大及總體電壓更高的電容組件，有利于大規(guī)模的儲(chǔ)能使用(如使用風(fēng)能與潮汐能等不穩(wěn)定電能的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)運(yùn));由于電容器的功率密度與能量密度提高，更加適合用于電動(dòng)車等對(duì)電容器體積要求與重量嚴(yán)格場合，拓寬了其應(yīng)用范圍。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明實(shí)施例1 :在含氧量為O. 3PPM、含水量為O. 7PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、直徑為O. 4nm，長度為20nm的碳納米管，加入四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯中，在功率為30W的超聲波發(fā)生器中20°C下處理50小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯提高100%。組裝電容器(使用單壁碳納米管電極材料，并使用聚四氟乙烯粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高50%，功率密度提高100%，可使用的功率密度范圍拓寬100%，循環(huán)壽命提高100%。實(shí)施例2:在含氧量為O. 3PPM、含水量為O. 5PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 2%、直徑為1_2nm，長度為100 μ m的碳納米管，加入N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽中，在功率為3000W的超聲波發(fā)生器中60°C下處理5小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯提高35%。組裝電容器(使用雙壁碳納米管電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相t匕，在5V下工作時(shí)電容器的比電容提高100%，能量密度提高100%，功率密度提高100%，可使用的功率密度范圍拓寬100%，循環(huán)壽命提高100%。實(shí)施例3 在含氧量為O. 3PPM、含水量為O. 3PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 05%、直徑為1_2nm，長度為20 μ m的碳納米管，加入3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽中，在功率為800W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理30小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽提高100%。組裝電容器(使用雙壁碳納米管電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高50%，功率密度提高200%，可使用的功率密度范圍拓寬100%，循環(huán)壽命提高100%。 實(shí)施例4 在含氧量為O. 1PPM、含水量為O. 4PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、直徑為l-3nm，長度為50μπι的碳納米管，加入3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽中，在功率為1800W的超聲波發(fā)生器中45°C下處理25小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽提高100%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的單層納米石墨、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的雙層納米石墨與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的雙壁碳納米管電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高50%，功率密度提高90%，可使用的功率密度范圍拓寬90%，循環(huán)壽命提高90%。實(shí)施例5 在含氧量為O. 1PPM、含水量為O.1PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為O. 5%、直徑為1-2 nm,長度為9μηι的碳納米管與厚度為3nm,最大尺寸為100 μ m的納米石墨,加入3_乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽中，在功率為3000W的超聲波發(fā)生器中60°C下處理40小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽提高80%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的單層納米石墨與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的雙層納米石墨為電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高70%，能量密度提高67%，功率密度提高100%，可使用的功率密度范圍拓寬100%，循環(huán)壽命提高100%。實(shí)施例6 在含氧量為O. 2PPM、含水量為O. 2PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%、直徑為20-80 nm,長度為100 μ m的碳納米管，加入3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯中，在功率為300W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理50小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯提高100%。組裝電容器(使用雙壁碳納米管電極材料，并使用聚偏氟乙烯粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高50%，功率密度提高120%，可使用的功率密度范圍拓寬120%，循環(huán)壽命提高100%。實(shí)施例7:在含氧量為O. 1PPM、含水量為O. 4PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%、直徑為1_10nm,長度為30 μ m的碳納米管，加入四氟硼酸四乙基銨/乙腈中，在功率為1000W的超聲波發(fā)生器中20°C下處理10小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純四氟硼酸四乙基銨/乙腈提高90%。組裝電容器(使用直徑為8nm的多壁碳納米管電極材料，并使用聚四氟乙烯粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純四氟硼酸四乙基銨/乙腈電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高70%，能量密度提高50%，功率密度提高150%，可使用的功率密度范圍拓寬150%，循環(huán)壽命提高60%。實(shí)施例8 在含氧量為O. 2PPM、含水量為O. 5PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、厚度為2nm、最大尺寸為50 μ m的納米石墨，加入四氟硼酸四乙基銨/乙腈中，在功率為3000W的超聲波發(fā)生器中60°C下處理2小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純四氟硼酸四乙基銨/乙腈提高50%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的單層納米石墨和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的雙壁碳納米管為電極材料，并使用聚四氟乙烯粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純四氟硼酸四乙基銨/乙腈電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在3V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高20%，功率密度提高50%，可使用的功率密度范圍拓寬50%，循環(huán)壽命提高60%。實(shí)施例9 在含氧量為O. 1PPM、含水量為O. 4PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 01 %、厚度為lOOnm、最大尺寸為I μπι的納米石墨，加入3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽中，在功率為2000W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理50小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽提高80%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的雙壁碳納米管和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%的單壁碳納米管為電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高20%，能量密度提20%，功率密度提高20%，可使用的功率密度范圍拓寬20%，循環(huán)壽命提聞50%ο實(shí)施例10 在含氧量為O. 3PPM、含水量為O. 2PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、厚度為3nm、最大尺寸為3 μ m的納米石墨，加入N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽中，在功率為600W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理50小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽提高80%。組裝電容器(使用三壁碳納米管為電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在5V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高20%，功率密度提高50%，可使用的功率密度范圍拓寬50%，循環(huán)壽命提高60%。實(shí)施例11 在含氧量為O. 1PPM、含水量為O.1PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 3 %、厚度為50nm、最大尺寸為10 μπι的納米石墨，加1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中，在功率為1200W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理20小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽提高100%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的單層納米石墨與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的單壁碳納米管為電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高60%，能量密度提高50%，功率密度提高50%，可使用的功率密度范圍拓寬65%，循環(huán)壽命提高80%。實(shí)施例12 在含氧量為O. 3PPM、含水量為O. 2PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 3 %、厚度為O. 34nm、最大尺寸為I μ m的納米石墨，加1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽各50 wt%的混合離子液中，在功率為800W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理34小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽各50 wt%的混合離子液提高80%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的雙壁碳納米管與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的雙層納米石墨為電極材料)后， 與使用相同質(zhì)量的1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽和3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽各50 wt%的混合離子液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高30%，功率密度提高90%，可使用的功率密度范圍拓寬90%，循環(huán)壽命提高60%。實(shí)施例13 在含氧量為O. 1PPM、含水量為O. 3PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 8 %的直徑為1-10 nm、長度為30 μ m的碳納米管，加入N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽和1_乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽各50 wt%的混合離子液中，在35°C下以1000轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率較N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽和1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽各50 wt%的混合離子液體提高80%。組裝電容器(使用單層納米石墨為電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽和1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽各50 wt%的混合離子液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4 V下工作時(shí)電容器的比電容提高30%，能量密度提高30%，功率密度提高70%，可使用的功率密度范圍拓寬70%，循環(huán)壽命提高30%。實(shí)施例14含氧量為1PPM、含水量為IPPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 01%的直徑為IOOnm的納米碳顆粒，加N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽中，在功率為300W的超聲波發(fā)生器中40 V下處理50小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽提高40%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的單壁碳納米管、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙壁碳納米管、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的三層納米石墨的電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在5V下工作時(shí)電容器的比電容提高50%，能量密度提高50%，功率密度提高100%，可使用的功率密度范圍拓寬100%，循環(huán)壽命提高80%。實(shí)施例15 含氧量為O. 3PPM、含水量為O.1PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 2 %的直徑為5_7nm的納米碳顆粒，加雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈中，在20°C下以5000轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢鐸小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈提高40%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%為雙壁碳納米管和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的單壁碳納米管電極材料，并使用聚偏氟乙烯粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高30%，能量密度提高30%，功率密度提高70%，可使用的功率密度范圍拓寬70%，循環(huán)壽命提聞50%ο實(shí)施例16 含氧量為1PPM、含水量為O. 7PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為O. 25%的直徑為10-20nm的納米碳顆粒和直徑為10-50nm，長度為8 μ m的碳納米管，加四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯中，在功率為300W的超聲波發(fā)生器中40°C下處理50小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯提高80% 。組裝電容器(使用雙壁碳納米管/聚四氟乙烯粘接劑的電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4 V下工作時(shí)電容器的比電容提高70%，能量密度提高60%，功率密度提高100%，可使用的功率密度范圍拓寬100%，循環(huán)壽命提高100%。實(shí)施例17 含氧量為O. 3PPM、含水量為O. 5PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為O. 4 %、厚度為5_30nm、最大尺寸為60 μ m的納米石墨和直徑為50-100nm,長度為I μ m的碳納米管,加雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯中，在50°C下以40000轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯提高80%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的雙壁碳納米管與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的雙層納米石墨的電極材料，并使用聚偏氟乙烯粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在4V下工作時(shí)電容器的比電容提高70%，能量密度提高60%，功率密度提高100%，可使用的功率密度范圍拓寬50%，循環(huán)壽命提高50%。實(shí)施例18 含氧量為O. 1PPM、含水量為O. 4PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為O. 05 %、直徑為10-20 nm的納米碳顆粒和厚度為10-20 nm、最大尺寸為30 μ m的納米石墨，加二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽中，在40°C下以300轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽提30%。組裝電容器(使用1-3層納米石墨的電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在5. 2V下工作時(shí)電容器的比電容提高20%，能量密度提高20%，功率密度提高50%，可使用的功率密度范圍拓寬50%，循環(huán)壽命提高50 %。實(shí)施例19 含氧量為O. 2PPM、含水量為IPPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為O. 1%的直徑為lnm，長度為50 μ m的單壁碳納米管和直徑為O. 7 nm的納米碳顆粒，加1_己基_3_甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中，在60°C下以4000轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?2小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽提高100%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的單壁碳納米管與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、直徑為7nm的納米碳顆粒的電極材料)后，與使用相同質(zhì)量的純1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽離子液體的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在6V下工作時(shí)電容器的比電容提高95%，能量密度提高90%，功率密度提高170%，可使用的功率密度范圍拓寬90%，循環(huán)壽命提高100 %。實(shí)施例20 在含氧量為O. 2PPM、含水量為O. 4PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 2%的厚度為2nm、直徑為50 μ m的納米石墨，加入3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/乙腈中，在功率為2500W的超聲波發(fā)生器中20°C下處理2小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/乙腈提高80%。組裝電容器(使用活性碳為電極材料，并使用聚四氟乙烯為粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/乙腈電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在3V下工作時(shí)電容器的比電容提高20%，能量密度提20%，功率密度提高20%，可使用的功率密度范圍拓寬20%，循環(huán)壽命提高50%。實(shí)施例21
在含氧量為O. 2PPM、含水量為O.1PPM的環(huán)境中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 6%的直徑為1. 4nm,長度為10 μ m的碳納米管，加入四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯中，在功率為1500W的超聲波發(fā)生器中30°C下處理20小時(shí)，得到新的電解液，其電導(dǎo)率比純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯提高50%。組裝電容器(使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、直徑為5nm的納米碳顆粒與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的雙壁碳納米管為電極材料，并使用聚四氟乙烯為粘接劑)后，與使用相同質(zhì)量的純四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯電解液的電容器(使用同樣的電極材料)相比，在3. 5V下工作時(shí)電容器的比電容提高40%，能量密度提40%，功率密度提高50%，可使用的功率密度范圍拓寬50%，循環(huán)壽命提高60%。
權(quán)利要求
1.一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液，其特征在于，所述的電解液由傳統(tǒng)電解液與碳納米材料組成，其中碳納米材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 01%-1%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解液，其特征在于，所述的傳統(tǒng)電解液為有機(jī)電解液或離子液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電解液，其特征在于，所述的有機(jī)電解液為四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯，3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/碳酸丙烯酯，雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/碳酸丙烯酯，四氟硼酸四乙基銨/乙腈，3-乙基-1-甲基咪唑鎗四氟硼酸鹽/乙腈，雙三氟甲基磺酰1-乙基-3-甲基咪唑/乙腈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電解液，其特征在于，所述的離子液體為四氟硼酸四乙基銨，N-甲基丁基吡咯烷雙三氟甲磺酰亞胺鹽，N-甲基丁基哌啶雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，三甲基丙銨雙三氟甲磺酰亞胺鹽，二乙基甲銨乙基甲醚雙三氟甲磺酰亞胺鹽，1-己基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解液，其特征在于，所述的碳納米材料為碳納米管、納米石墨和納米碳顆粒中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解液，其特征在于，所述的碳納米管的直徑為O.4-100 nm,長度為20nm-100 μ m ;所述的納米石墨的厚度為O. 34nm-100nm,最大尺寸為100 μ m ;所述的納米碳顆粒的直徑為O. 7nm_100nm。
7.一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液的制備方法，其特征在于，步驟如下 在含氧量為O. 1-1 PPM、含水量為O. 1-1 PPM的環(huán)境中，將碳納米管、納米石墨或納米碳顆粒中的一種或多種在20-60°C、功率為30-3000W的條件下超聲2_50小時(shí)或在20_60°C條件下以300-40000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速攪拌2-50小時(shí)，使之分散在傳統(tǒng)電解液中；然后靜置于常溫下、在與水和氧隔絕的環(huán)境下密封保存。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高電壓超級(jí)電容器的電解液及其制備方法，屬于超級(jí)電容器技術(shù)領(lǐng)域。電解液由傳統(tǒng)電解液與碳納米材料組成，碳納米材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%-1%；傳統(tǒng)電解液選自有機(jī)電解液或離子液體，碳納米材料為碳納米管、納米石墨和納米碳顆粒中的一種或多種。電解液的制備方法為在含氧量為0.1-1 PPM、含水量為0.1-1 PPM的環(huán)境中，將碳納米材料在20-60℃、功率為30-3000W的條件下超聲2-50小時(shí)或以300-40000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速攪拌2-50小時(shí)，使之分散在傳統(tǒng)電解液中。本發(fā)明提供的電解液的導(dǎo)電率為傳統(tǒng)電解液的1.3-2倍，增大了電容器的壽命，節(jié)約了成本，擴(kuò)大了電容器的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)H01G11/64GK103021676SQ20121055219
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者騫偉中, 孔垂巖, 崔超婕, 余云濤, 魏飛 申請(qǐng)人:清華大學(xué)