超低温水系超级电容器的设计及性能研究

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电解液是超级电容器的重要组成部分,水系电解液电导率高且成本低、安全性能好,但在较低的温度条件下易凝固而导致超级电容器停止工作。在水系电解液中加入甲酰胺(FA)降低凝固点,研究温度对FA-H2O-氯盐/硫酸盐电解液电导率的影响。并以其作电解液,以碳纳米管、石墨烯气凝胶作电极材料,研究超级电容器的低温电化学性能。当甲酰胺和水的体积比为3:2时,混合体系具有最低凝固点为-37.5℃。以此配比作溶剂测得LiCl、CaCl2、NaCl、KCl和Li2SO4、Na2SO4的凝固点均有所降低,如3 mol·L-11 LiCl的凝固点为-43.3℃。在40±0.5℃至-25±0.5℃的温度范围内测得电解液的电导率随温度升高而升高,另外,溶液的浓度对电导率由一定的影响。对于相同浓度的氯盐电解液,1.5 mol·L-11 KCl/FA:H2O(3:2,vol)具有最高的电导率。分别以酸化处理的多壁碳纳米管和石墨烯气凝胶制备工作电极,以具有最低凝固点甲酰胺和水的比例作溶剂配制的各氯盐和硫酸盐作电解液组装超级电容器,测试电容器的低温电化学性能。氯盐电解液的电压窗口为-0.30.7 V,硫酸锂电解液的电压窗口为-0.31 V、硫酸钠电解液的电压窗口为-0.30.8 V。根据测试的结果,氯盐体系电解液中,在-40℃时,以碳纳米管作电极,1.5 mol/L KCl/FA:H2O(3:2,vol)作电解液超级电容器的比电容最大,可以达到55.8 F/g,能量密度为27.9 Wh/kg。硫酸盐体系电解液中,在-40℃时,石墨烯气凝胶作电极,以1 mol/L Li2SO4/FA:H2O(3:2,vol)、0.1 mol/L Na2SO4/FA:H2O(3:2,vol)作电解液超级电容器的比电容更大,分别为79.8 F/g和45.6 F/g,能量密度分别为67.45 Wh/kg和27.7 Wh/kg。图25幅;表4个;参74篇。
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