论文部分内容阅读
双电层电容器以其高功率密度和长循环寿命而被广泛应用于电动汽车、航空航天等领域，然而与二次电池相比，其能量密度较低。从双电层电容器的计算公式E=1/2CV2得知，能量密度和电压的平方成正比。因此，寻找电化学窗口较宽的电解液有利于提高双电层电容器的能量密度。鉴于离子液体具有电化学窗口宽，不易燃，环境友好，热稳定性好等优点，它已经被广泛的应用于双电层电容器中。因此，研究离子液体与电极表面的双电层结构对于寻找性能优异的离子液体作为双电层电容器的电解液至关重要。实验上通常用微分电容曲线来研究双电层和电势之间的相互关系。 本论文首先对带有芳香环的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIM+/PF6-)和没有芳香环的N-丁基-N-甲基吡咯烷六氟磷酸盐(Pyr14+/PF6-)两种离子液体在玻碳电极(GC)表面的电极过程动力学过程进行了研究。对GC/BMIM+/PF6-和GC/Pyr14+/PF6-两个体系进行循环伏安和交流阻抗测试，结果表明: 循环伏安测得GC/BMIM+/PF6-和GC/Pyr14+/PF6-的电化学窗口分别为-1.5～2.0V和-2.7～2.3V。两个体系的Nyquist图、Bode图以及电容谱可以看出:1)电极/离子液体界面存在两个并联的电容CPE1和CPE2。造成两个过程的原因是由于离子液体体积较大，结构比较复杂，因此电极/离子液体界面的双电层电容存在弛豫效应。CPE1是中高频区双电层电容，此时，离子和电极表面的长程的静电作用力起主导作用;CPE2对应于低频区双电层电容，此时，离子之间的相互作用力以及离子与电极表面的非静电作用力所引起的短程作用力起主导作用。在该体系中，双电层电容等于中高频电容和低频电容之和。2)电容谱上都看到一个半圆，其代表双电层电容。 在此基础之上，研究上面的两种具有相同阴离子、阳离子结构相似的离子液体BMIM+/PF6-和Pyr14+/PF6-在玻碳电极上的微分电容曲线。 实验结果表明:在相同条件下，阴离子相同、阳离子的结构和半径相似的两种离子液体对应的微分电容曲线呈现了相反的趋势:GC/BMIM+/PF6-在负电位下的微分电容比正电位下的大，GC/Pyr14+/PF6-在正电位下的微分电容值比负电位大。推测造成这种相反趋势的原因可能是芳香性的咪唑环和sp2杂化的石墨之间的相互作用所引起的特性吸附减小了负电位下双电层的厚度，而增加了正电位下的双电层厚度。GC/BMIM+/PF6-的微分电容曲线也证实了该体系中存在这种特性吸附。而GC/Pyr14+/PF6-的微分电容曲线呈现与之相反趋势的原因是Pyr14+和GC之间没有特性吸附。从GC/BMIM+/PF6-的零电荷电势点(PZC)相较于GC/Pyr14+/PF6-的PZC的正向移动也说明了特性吸附的存在。