電解液對超級電容器電化學性能影響的研究

張燕

摘要：超級電容器是一種高效的儲能元件，性能介于傳統電容器和化學電池之間。影響超級電容器性能的因素有電極材料、電解液等。電極材料主要包括碳材料、金屬氧化物材料和導電聚合物材料。碳材料在超級電容器的材料中由于穩定性好、價格低廉，應用最為廣泛;導電聚苯胺由于自身的性能與活性炭制備成聚苯胺/活性炭復合電極得到了廣泛的關注，可以用于制備超級電容器。LiCLO4/乙腈在超級電容器研究中得到了廣泛的關注，但是市場銷售的鏗離子電解液對超級電容器的影響不同，這對于超級電容器的實際應用具有十分重要的意義。本文主要分析探討了電解液對超級電容器電化學性能影響情況，以供參閱。

關鍵詞：電解液;超級電容器;電化學性能;影響

引言

人類迄今已有400萬年歷史，在這400萬年當中，人類消耗的能源日益增長。現在，能源對人類經濟社會發展的制約和對資源環境的影響也越來越明顯。同時人類不斷的開發利用能源，也造成了對環境的極大地破壞。能源安全和環境安全成為世界各國面臨的重要問題。隨著人類對環境不斷深入地研究與探索和對新能源的不斷努力開發，認識到環保、可再生的新型能源成為世界各國研究的共同目標。超級電容器正是這樣一種儲存環保可再生新能源的裝置，它的研究和開發得到了世界各國的重視。

1超級電容器的概述

普通電容器是由兩個接近但絕緣的電極組成的儲存能量的元件。當對電容器電極施加一定電壓，電介質中的負電荷就會吸引在電極的正極，電介質巾的正電荷就會吸引在電極的負極，電荷平衡時，兩電極間存在一個電位差，就存儲上了能量;當去掉施加電壓，正負極吸引的電荷就會釋放出來，兩電極板間形成電流。普通電容器最大的特點就是在瞬間能釋放出大電流，大功率充放電，充放電時間極短。化學電源是將氧化還原反應產生的化學能轉化成電能的裝置，它的特點是能量密度很大，遠大于普通電容器，但是缺點也很明顯，充電時間過長，一般達到幾個小時，功率密度低，不能瞬時大電流充放電。超級電容器（Supercapacitors）是基于電極/溶液界面的電化學過程的儲能元件。其容量很大，可達千法拉級，并有普通電容器和化學電池二者的優點，例如循環壽命長、能量密度和功率密度較高、快速充放電、環保無污染等，被認為是一種高效、實用的新型能源儲存裝置降。根據儲能機理的不同，可以將超級電容器分為雙電層超級電容器和鷹電容型超級電容器。

2電解液對超級電容器電化學性能影響

2.1活性炭電極與聚苯胺/活性炭電極的制備與性能測試

將活性炭、炭黑、聚偏氟乙烯按質量比8：1：1的比例制備活性炭電極。利用CV在活性炭電極上沉積聚苯胺制備成復合電極。然后用SEM，CV、充放電和EIS對兩種電極進行表征與測試。結果表明，當電流密度為3mA·cm-2時，活性炭電極比電容為97.4F·g-1，1000次充放電循環后，比電容降至首次循環的90%。而復合電極在3mA·cm-2的電流密度時，比電容為340.4F·g-1，明顯高于活性炭電極，這是因為聚苯胺在充放電過程中，由于其表面形貌產生的雙電層電容和氧化還原反應產生的鷹電容起到了增加比電容的作用。經過1000次充放電循環，比電容降至首次循環的70%。

2.2電解液對對稱超級電容器電化學性能影響的研究

分別組裝電解液為LiCLO4/乙腈和市售的NH602鏗離子電解液兩種對稱超級電容器。然后利用充放電進行測試。測試結果表明，LiCLO4/乙腈電解液對稱超級電容器在充放電循環中很穩定，表現出了活性炭雙電層儲能特性。3mA·cm-2電流密度充放電，電位窗口為[0-2.7V]時，比電容為52.0F·g-1，能量密度為50.7Wh·Kg-1，功率密度為905.7W·Kg-1;經過1000次充放電循環，比電容為49.8F.g-1，能量密度和功率密度分別為46.8Wh·Kg-1和897.7W·Kg-1。當充放電電位提高至3.0V時，電化學性能出現明顯的下降。推斷可能為LiCLO4/乙腈電解液在較高的電位下發生反應，導致超級電容器的性能下降。LiCLO4/乙腈電解液不適宜在高電位下進行充放電測試。NH602鏗離子電解液超級電容器可以在[0-3.5V]的電位窗口順利進行充放電，明顯高于LiCLO4/乙腈電解液，并能有效提高能量密度和功率密度。3mA·cm-2電流密度充放電時，比電容為60.2F·g-1，能量密度達到79.1Wh·Kg-1，功率密度為1162.0W·Kg-1。經過1000次充放電循環后，比電容為51.1F·g-1，能量密度降到56.3Wh？Kg-1，功率密度為1170.7W·Kg-1。這是可能是因為NH602鏗離子電解液中的充放電電位較高，可以增大能量密度;鏗離子在充放電過程中能夠快速的吸附與脫附，傳質速率快等，所以NH602鏗離子電解液對稱超級電容器能適用于大功率充放電。

2.3電解液對非對稱超級電容器電化學性能影響的研究

分別組裝正極為復合電極、負極為活性炭電極的兩種不同電解液的非對稱超級電容器，然后對其進行充放電測試。結果表明，LiCLO4/乙腈電解液非對稱超級電容器能在[0-2.7V]的電位窗口順利進行充放電測試，并且性能比較穩定。比電容比對稱超級電容器約高一倍，這是因為非對稱超級電容器不僅具有雙電層電容，還具有由于聚苯胺氧化還原反應產生的鷹電容。3mA·cm-2電流密度充放電時，比電容為118.0F·g-1，能量密度為100.0Wh·Kg-1，功率密度為927.4W·Kg-1;經過1000次充放電循環，比電容為95.1F·g-1，能量密度和功率密度分別為67.7Wh·Kg-1和860.3W·Kg-1。NH602銼離子電解液非超級電容器電化學性能不佳。充電曲線在2.5V以上出現拐點，并導致充電時間過長，并且隨著循環的進行，充電時間越來越短，表明2.5V以上所充的能量被電極表面物質的不可逆反應所消耗掉。通過對電極進行SEM，CV，EIS測試分析其原因可能為在測試過程中，聚苯胺在NH602鏗離子電解液中可逆性較差，并且表面的聚苯胺小顆粒發生了解聚與自聚，聚苯胺表面變光滑，使得表面積下降，降低比電容。聚苯胺在NH602鏗離子電解液中電阻過大，達到了若干數量級，這可能也是導致非對稱超級電容器電化學性能較差的原因之一。

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（作者單位：天津普蘭能源科技有限公司）