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碳基电化学超级电容器新型电解液的研究与应用

作　者: 李伟
导　师: 余淑娴；杨震宇
学　校: 南昌大学
专　业: 物理化学
关键词: 室温熔融盐有机电解液电化学超级电容器电解质
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

与锂离子电池相比,电化学超级电容器具有低的比能量和高的比功率,在保持高比功率的同时,提高比能量是急需解决的问题。提高单体超级电容器的比能量,需要在提高工作电压的同时,提高比电容。工作电压与电解液的分解电压有关。目前,电化学超级电容器的工作电解质主要有水系电解液、有机电解液、固体电解质和凝胶电解质。水系电解液为硫酸溶液或氢氧化钾溶液,水系电解液能提供很高的比电容,但能量密度低且易腐蚀设备,且制备的单体超级电容器的工作电压低（只有约1V）。有机系电解液为四氟硼酸四乙基铵盐等电解质的有机溶液,制备的单体超级电容器的工作电压在2.15V以上;但存在有机溶剂易挥发、电导率和工作电压提高困难、有安全隐患及对环境有一定影响等问题。固体多聚物电解质在双电层电容器中受到一定限制,因为室温下大多数聚合物电解质的电导率较低,电极/电解质之间接触情况很差,电解质盐在聚合物基体中的溶解度相对较低,尤其当电容器充电时,低的溶解度会导致极化电极附近出现电解质盐的结晶。因此,寻找电导率高、电化学窗口宽、蒸汽压低的新型安全电解质材料已成为业界迫切的追求。目前,一种新的物质——室温熔融盐（又名室温离子液体或离子液体）因它具有诸多优异的性质,例如蒸汽压极低,不易燃烧,电化学稳定性高、化学和物理稳定性高等,所以离子液体作为电解液在电化学超级电容器、锂二次电池、太阳电池等电化学元件中的电化学行为及其对电池性能的影响已成为电解液研究的热点方向之一。本论文在前人的基础上研究了两种新型离子液体和一种新型有机电解液作为电解质在电化学电容器中的应用。本论文共分为五章:第一章简要介绍了国内外电化学电容器方面的研究进展和电化学超级电容器电解质的研究现状,以及室温熔融盐（即离子液体）的发展、制备和性质。最后提出了本论文的总体思路及研究方向;第二章简述了新型电解液在电化学超级电容器方面的应用研究和测试方法与原理;第三章描述锂盐双乙二酸硼酸锂LiBOB-2-噁唑烷酮（OZO）室温熔融盐电解质的制备和表征及其在电化学电容器中的应用。实验室制备了具有不同摩尔比的LiBOB-2-噁唑烷酮（0ZO）熔融盐复合电解质,电导率测试表明摩尔比为1:6的复合体系电导率更高,循环伏安测试表明该体系电势窗口可达3.9 V。用具有最佳性能的复合电解质性炭组装成电化学电容器,活性碳在该体系中具有良好的电容行为,实验结果表明,温度升高可提高电解液的电导率,循环性能变好,比电容也有所增加,是一种符合电化学超级电容器要求的液体电解质;第四章描述双乙二酸硼酸锂LiBOB-乙酰胺（Acetamide）室温熔融盐电解质的制备和表征及其在电化学电容器中的应用。实验室制备了具有不同摩尔比的LiBOB-乙酰胺（Acetamide）熔融盐复合电解质,电导率测试表明摩尔比为1:7的复合体系电导率更高,循环伏安测试表明该体系电势窗口可达2.7 V。用具有最佳性能的复合电解质性炭组装成电化学电容器,活性碳在该体系中具有良好的电容行为,实验结果表明,温度升高可提高电解液的电导率,循环性能变好,比电容也有所增加,是一种符合电化学超级电容器要求的液体电解质。第五章描述双乙二酸硼酸锂（LiB（C₂O₄）₂,LiBOB）为基的疏质子溶剂（1,3-二甲基-2-咪唑啉酮,DMI）有机电解液的电化学性质及其在电化学电容器中的应用研究。实验室制备了0.7 M的LiBOB/DMI,电导率测试表明该体系的室温电导率可达2.16 mS cm^-1,循环伏安测试表明该体系电势窗口可达3.0 V。用它作电解液组装成活性炭电化学超级电容器。实验结果表明,活性碳在该体系中具有良好的电容行为,电容器循环效率良好,2000次循环后,比容量仍能保持在28.2 Fg^-1,是一种符合电化学超级电容器要求的液体电解质。第六章简述了本论文的结论与未来展望

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-35
  1.1 电化学超级电容器的研究背景及其应用前景  11-12
  1.2 电化学超级电容器的工作原理及特点  12-17
    1.2.1 电化学超级电容器的工作原理  12-13
    1.2.2 电化学超级电容器的特点  13-15
    1.2.3 电化学超级电容器的应用研究现状  15-17
  1.3 电化学超级电容器的分类  17-19
    1.3.1 碳电极电容器  17-18
    1.3.2 贵金属氧化物电极电容器  18
    1.3.3 导电聚合物电极电容器  18-19
  1.4 电化学超级电容器的电极材料和电解液  19-20
    1.4.1 电极材料  19
    1.4.2 电解液  19-20
  1.5 离子液体的研究背景及其应用前景  20-22
    1.5.1 离子液体的研究背景  20-22
    1.5.2 离子液体的应用前景  22
  1.6 离子液体的种类和性质  22-33
    1.6.1 AlCl_3型离子液体的性质  23-25
    1.6.2 非AlCl_3型离子液体的性质  25-31
    1.6.3 特殊离子液体的性质  31-33
  1.7 本论文的选题依据和主要研究内容  33-35
第二章电解液与电化学超级电容器的测量方法与原理  35-42
  2.1 引言  35
  2.2 电解液测试方法与原理  35-36
    2.2.1 电导率测试  35
    2.2.2 循环伏安测试  35-36
  2.3 电化学超级电容器测试方法与原理  36-41
    2.3.1 循环伏安测试  36-38
    2.3.2 交流阻抗测试  38-40
    2.2.3 恒流充放电测试  40
    2.2.4 等效串联内阻测试  40-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章 LiBOB-2-噁唑烷酮(OZO)体系二元熔盐电解质的合成与在超级电容器的应用研究  42-54
  3.1 引言  42-44
  3.2 实验部分  44-45
    3.2.1 试剂  44
    3.2.2 主要仪器  44
    3.2.3 室温熔融盐的合成  44
    3.2.4 熔融盐的电化学性质分析  44-45
    3.2.5 电化学电容器的制作  45
    3.2.6 电容器电化学性能测试  45
  3.3 结果与讨论  45-53
    3.3.1 LiBOB-OZO熔融盐体系的电化学性能研究  46-47
    3.3.2 电化学超级电容器的电化学性能测试  47-53
      3.3.2.1 循环伏安测试  47-50
      3.3.2.2 交流阻抗测试  50
      3.3.2.3 恒电流充放电测试  50-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章 LiBOB-乙酰胺熔融盐体系的合成与在超级电容器的应用研究  54-63
  4.1 引言  54
  4.2 实验部分  54-55
    4.2.1 试剂和室温熔融盐制备  54-55
    4.2.2 熔融盐电化学性质分析  55
    4.4.3 电极制备和模拟电容器组装  55
    4.2.4 电容器电化学性能测试  55
  4.3 结果与讨论  55-62
    4.3.1 LiBOB-乙酰胺熔融盐体系的电化学性能研究  56-57
    4.3.2 电容器电化学性能测试  57-62
      4.3.2.1 循环伏安测试  57-59
      4.3.2.2 交流阻抗测试  59-60
      4.3.2.3 恒电流充放电测试  60-62
  4.4 本章小结  62-63
第五章碳基二元新型有机电解液在超级电容器中的的应用研究  63-79
  5.1 引言  63-64
  5.2 实验部分  64-65
    5.2.1 试剂和有机电解液制备  64
    5.2.2 有机电解液的电化学性质分析  64
    5.2.3 电极制备和模拟电容器组装  64
    5.2.4 电容器电化学性能测试  64-65
  5.3 结果与讨论  65-71
    5.3.1 LiBOB/DMI体系电化学性能研究  65-66
    5.3.2 电容器电化学性能测试  66-71
      5.3.2.1 循环伏安测试  66-68
      5.3.2.2 交流阻抗测试  68-69
      5.3.2.3 恒电流充放电安测试  69-70
      5.3.2.4 电容器循环性能测试  70-71
  5.3 本章小结  71-73
  参考文献  73-79
第六章结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 进一步的工作  80-81
致谢  81-82
攻读硕士学位期间研究成果  82

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