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电化学电容器由于具有能量密度高、功率密度大、工作电压宽、循环寿命长等优点,作为一种新型电能储存元件,受到了广泛的关注,在电动汽车、移动通讯、工业生产等诸多领域有着良好的应用前景。电解液是电化学电容器的重要组成部分,电解液的性质直接影响电容器的电容行为,因此分析电解液对电化学电容器性能的影响成为了当今的热点。本文针对电解液的研究现状,采用电导率测试、核磁共振、循环伏安、恒流充放电和交流阻抗等方法对电解液进行测试和表征,探索化学稳定性好、电化学窗口宽、电导率高的电解液。具体研究内容和结论如下: 1.新型离子液体电解质在电化学电容器中的性能研究 运用两步法合成丁基甲基咪唑离子液体。通过红外光谱测试,证明产物为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[BMIM]BF4。循环伏安测试表明[BMIM]BF4电势窗口为4.9V。将聚合物,Na盐等分别溶于以上制备的离子液体中配制成不同的复合聚合物电解质,分析其电化学性能和电导率变化情况。实验证明加入聚氧化乙烯PEO的电解液比纯[BMIM]BF4的电导率大。当PEO的浓度为10%时,电导率较大,稳定性较好,且温度为100℃时,电导率可达9 mS*cm-1;溶剂碳酸丙烯酯PC浓度为100%时,电导率较高,25℃时为7mS*cm-1左右;加入NaSCN,浓度为0.1mol/L时电导率最高。且低温条件下,体系离子迁移较慢,温度较高时,体系粘度较小,导电性能较好。并用阿仑尼乌斯方程和VTF方程对含离子液体的聚合物电解质的导电机理进行了研究。 2.螺环季铵盐电解质在电化学电容器中的性能研究 四氟硼酸螺旋季铵盐SBPBF4具有比电容大、充放电效率高和电化学窗口宽等特性,具有典型的电容行为和良好的化学稳定性。溶剂碳酸丙烯酯PC稳定性较好、碳酸乙烯酯EC介电常数较高、γ-丁内酯GBL粘度较低。本工作以SBPBF4为电解质,将三种溶剂按照不同的体积比混合得到电解液,探索高电导率、稳定性较好、电化学性能较高的电解液。采用活性炭PW15M13130作为电极材料组装电容器,对电解液进行恒流充放电测试,结果证明电容器可逆循环性能良好,电解液与电极材料兼容性较好,比容量和充放电效率较高,具有典型的电容行为。其中体积比为4∶6的电解液放电容量可达35mAhg-1,循环效率可保持在90%。循环伏安测试显示了SBPBF4较宽的电位窗,可达4.7V。本课题将溶剂PC、EC、GBL混合,充分利用三种溶剂的优势,弥补不足,筛选出电导率较高、稳定性较好、电化学性能优越的电解液,发挥电解质SBPBF4的优越性。 3.阻燃型电解液在电化学电容器中的性能研究 以碳酸丙烯酯PC为溶剂,配制1M四氟硼酸甲基三乙基铵TEMABF4电解液。按照不同的体积比(10%为间隔)分别加入阻燃添加剂磷酸三甲酯TMP和磷酸三乙酯TEP,以活性炭PW15M13130和YP50F作为电极材料组装成双电层电容器,分析电解液对电容器电化学特性的影响。通过对电解液电导率测试,证明阻燃添加剂会使电解液粘度增大,电导率下降。19F NMR测试,加入阻燃添加剂后,电解液化学环境较稳定。充放电测试显示,含有阻燃剂的电解液放电容量变化趋势不明显,阻燃剂对电容器功率密度和能量密度影响较小。使用YP50F为电极材料时,放电容量较大,为35mAhg-1,其中以体积比为3∶7的电解液性能最佳,循环效率较高,经过1000次循环后,达95%。循环伏安测试和交流阻抗测试表明,各电解液具有典型的双电层电容特性。本工作在保证电容器电化学性能优良的基础上加入阻燃添加剂TMP、TEP,增强了电解液的安全性和稳定性。