论文题目：高浓度电解液的合成及其在超级电容器中的应用研究
摘要：超级电容器因具有超长的工作寿命、高功率特性、较宽的应用温度范围和较好的安全性等优点使其在航空航天、轨道交通、工程机械和军工领域有着广泛的应用。但是,与电池等储能器件相比,超级电容器的能量密度要低一个数量级,这限制了超级电容器的进一步应用。所以当前超级电容器领域主要围绕提高能量密度这一指标展开研究,而提高能量密度的两个途径分别是提升比电容和工作电压。电解液是超级电容器中不可或缺的重要组成部分,本文以提高超级电容器的比电容和工作电压为目的,分别探讨了水系高浓度电解液和有机系超高浓度电解液对超级电容器工作电压和比电容的影响情况。成功合成了1-丙基-3-甲基咪唑氯盐（PMIm-Cl）,将其溶于去离子水形成水系电解液,探究浓度对离子溶剂化和物化性能的影响,组装超级电容器测试高浓电解液对耐电压性的影响。随着PMIm-Cl/H2O浓度的升高,水系超级电容器的工作电压有了明显的提升,当电解液的浓度达到30 mol/kg时,超级电容器的工作电压达到2.3 V。同时,为了降低电解液的粘度和成本,引入有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为惰性稀释剂,值得关注的是,NMP的引入不会对高浓PMIm-Cl/H2O的溶剂化结构造成破坏,进而依旧可以使超级电容器在2.3 V下稳定工作。成功合成了一种小尺寸电解质盐N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐（DMP-BF4）,将其溶于低粘度、高介电常数溶剂乙腈配制成高浓度DMP-BF4/AN电解液。随着浓度的提高,DMP-BF4/AN电解液的负向窗口拓宽而正向窗口几乎不受影响。4 mol/L的DMP-BF4/AN的负向窗口在得到拓宽的同时,使得正负向的窗口更趋于对称,从而使超级电容器器件的电化学窗口得到最大程度的利用。利用三电极装置测试4 mol/L DMP-BF4/AN电解液组装的超级电容器的最高工作电压为3.4V。同时,4 mol/L DMP-BF4/AN电解液的离子电导率仍然高达39.6 m S/cm,这保证了超级电容器在获得高能量密度的同时依然有着不错的倍率性能。经计算得知,4 mol/L DMP-BF4/AN电解液组装的超级电容器的最高能量密度和功率密度分别可以达到49.8 Wh/kg和14.6 Kw/kg。
关键词：超级电容器;高浓度电解液;高工作电压;高能量密度
学科专业：材料工程（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器分类
1.2.2 超级电容器的储能机理
1.2.3 超级电容器的应用及前景
1.3 双电层电容器电极材料概述
1.3.1 活性炭
1.3.2 炭气凝胶
1.3.3 石墨烯
1.3.4 碳纳米管和碳纳米纤维
1.3.5 其它炭电极材料
1.4 超级电容器电解液概述
1.4.1 水系电解液
1.4.2 有机系电解液
1.4.3 离子液体电解质
1.4.4 固态或准固态电解质
1.5 本文选题背景及研究内容
第二章 实验部分
2.1 实验材料及化学试剂
2.2 实验仪器
2.3 电解质盐的合成
2.3.1 1-乙基-3-甲基咪唑氯盐(PMIm-Cl)的合成
2.3.2 N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐(DMP-BF_4)的合成
2.4 电解液的配制及物化性能表征
2.4.1 分子筛的烧制
2.4.2 电解液的配制及含水量测试
2.4.3 电解液粘度测试
2.4.4 电解液电导率测试
2.4.5 电解质/液的热分析测试
2.4.6 电解质盐的分子结构表征
2.4.7 电解液的电化学窗口测定
2.5 活性炭电极的制备及扣式电容器组装
2.5.1 活性炭极片的制备
2.5.2 扣式超级电容器的组装
2.5.3 三电极超级电容器装置组装
2.6 电化学性能测试
2.6.1 循环伏安测试
2.6.2 交流阻抗测试
2.6.3 恒流充放电测试
第三章 PMIm-Cl的制备及其耐高压性能研究
3.1 引言
3.2 PMIm-Cl离子液体的结构表征
3.2.1 PMIm-Cl的核磁表征
3.3 PMIm-Cl的热稳定性测试
3.3.1 差式扫描量热测试(DSC)
3.3.2 热重分析(TG)
3.3.3 不同电解液的燃烧实验
3.4 电解液的配制及其物化性能测试
3.4.1 电解液的配制
3.4.2 电解液的离子传输性质
3.4.3 电解液在活性炭表面的接触角测试
3.5 电解液的电化学稳定性
3.6 超级电容器电化学性能研究
3.6.1 不同浓度电解液电化学性能测试
3.6.3 6 mol/kg NWIP电解液在2.3V下的电化学性能研究
3.6.4 6 mol/kg NWIP电解液的低温电性能研究
3.7 本章小结
第四章 DMP-BF_4的合成及高浓度DMP-BF_4/AN的电化学性能研究
4.1 引言
4.2 电解质盐的表征
4.2.1 DMP-BF_4电解质盐的核磁表征
4.2.2 DMP-BF_4电解质盐的热重测试
4.3 电解液的配制及物化性质表征
4.3.1 电解液的配制
4.3.2 电解液的物化性质
4.3.3 电解液的电化学稳定性
4.4 DMP-BF_4/AN和商业化电解液在常压下的电化学性能对比
4.5 4mol/L DMP-BF_4/AN电解液的高压性能研究
4.5.1 4mol/L DMP-BF_4/AN最高工作电压的确定
4.5.2 4mol/L DMP-BF_4/AN在3.4 V下的电化学性能研究
4.6 本章小结
第五章 结论与展望
5.1 结论
5.2 展望
参考文献
致谢