电解液对超级电容器电化学性能影响的研究

张燕

摘要：超级电容器是一种高效的储能元件，性能介于传统电容器和化学电池之间。影响超级电容器性能的因素有电极材料、电解液等。电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。碳材料在超级电容器的材料中由于稳定性好、价格低廉，应用最为广泛;导电聚苯胺由于自身的性能与活性炭制备成聚苯胺/活性炭复合电极得到了广泛的关注，可以用于制备超级电容器。LiCLO4/乙腈在超级电容器研究中得到了广泛的关注，但是市场销售的铿离子电解液对超级电容器的影响不同，这对于超级电容器的实际应用具有十分重要的意义。本文主要分析探讨了电解液对超级电容器电化学性能影响情况，以供参阅。

关键词：电解液;超级电容器;电化学性能;影响

引言

人类迄今已有400万年历史，在这400万年当中，人类消耗的能源日益增长。现在，能源对人类经济社会发展的制约和对资源环境的影响也越来越明显。同时人类不断的开发利用能源，也造成了对环境的极大地破坏。能源安全和环境安全成为世界各国面临的重要问题。随着人类对环境不断深入地研究与探索和对新能源的不断努力开发，認识到环保、可再生的新型能源成为世界各国研究的共同目标。超级电容器正是这样一种储存环保可再生新能源的装置，它的研究和开发得到了世界各国的重视。

1超级电容器的概述

普通电容器是由两个接近但绝缘的电极组成的储存能量的元件。当对电容器电极施加一定电压，电介质中的负电荷就会吸引在电极的正极，电介质巾的正电荷就会吸引在电极的负极，电荷平衡时，两电极间存在一个电位差，就存储上了能量;当去掉施加电压，正负极吸引的电荷就会释放出来，两电极板间形成电流。普通电容器最大的特点就是在瞬间能释放出大电流，大功率充放电，充放电时间极短。化学电源是将氧化还原反应产生的化学能转化成电能的装置，它的特点是能量密度很大，远大于普通电容器，但是缺点也很明显，充电时间过长，一般达到几个小时，功率密度低，不能瞬时大电流充放电。超级电容器（Supercapacitors）是基于电极/溶液界面的电化学过程的储能元件。其容量很大，可达千法拉级，并有普通电容器和化学电池二者的优点，例如循环寿命长、能量密度和功率密度较高、快速充放电、环保无污染等，被认为是一种高效、实用的新型能源储存装置降。根据储能机理的不同，可以将超级电容器分为双电层超级电容器和鹰电容型超级电容器。

2电解液对超级电容器电化学性能影响

2.1活性炭电极与聚苯胺/活性炭电极的制备与性能测试

将活性炭、炭黑、聚偏氟乙烯按质量比8：1：1的比例制备活性炭电极。利用CV在活性炭电极上沉积聚苯胺制备成复合电极。然后用SEM，CV、充放电和EIS对两种电极进行表征与测试。结果表明，当电流密度为3mA·cm-2时，活性炭电极比电容为97.4F·g-1，1000次充放电循环后，比电容降至首次循环的90%。而复合电极在3mA·cm-2的电流密度时，比电容为340.4F·g-1，明显高于活性炭电极，这是因为聚苯胺在充放电过程中，由于其表面形貌产生的双电层电容和氧化还原反应产生的鹰电容起到了增加比电容的作用。经过1000次充放电循环，比电容降至首次循环的70%。

2.2电解液对对称超级电容器电化学性能影响的研究

分别组装电解液为LiCLO4/乙腈和市售的NH602铿离子电解液两种对称超级电容器。然后利用充放电进行测试。测试结果表明，LiCLO4/乙腈电解液对称超级电容器在充放电循环中很稳定，表现出了活性炭双电层储能特性。3mA·cm-2电流密度充放电，电位窗口为[0-2.7V]时，比电容为52.0F·g-1，能量密度为50.7Wh·Kg-1，功率密度为905.7W·Kg-1;经过1000次充放电循环，比电容为49.8F.g-1，能量密度和功率密度分别为46.8Wh·Kg-1和897.7W·Kg-1。当充放电电位提高至3.0V时，电化学性能出现明显的下降。推断可能为LiCLO4/乙腈电解液在较高的电位下发生反应，导致超级电容器的性能下降。LiCLO4/乙腈电解液不适宜在高电位下进行充放电测试。NH602铿离子电解液超级电容器可以在[0-3.5V]的电位窗口顺利进行充放电，明显高于LiCLO4/乙腈电解液，并能有效提高能量密度和功率密度。3mA·cm-2电流密度充放电时，比电容为60.2F·g-1，能量密度达到79.1Wh·Kg-1，功率密度为1162.0W·Kg-1。经过1000次充放电循环后，比电容为51.1F·g-1，能量密度降到56.3Wh？Kg-1，功率密度为1170.7W·Kg-1。这是可能是因为NH602铿离子电解液中的充放电电位较高，可以增大能量密度;铿离子在充放电过程中能够快速的吸附与脱附，传质速率快等，所以NH602铿离子电解液对称超级电容器能适用于大功率充放电。

2.3电解液对非对称超级电容器电化学性能影响的研究

分别组装正极为复合电极、负极为活性炭电极的两种不同电解液的非对称超级电容器，然后对其进行充放电测试。结果表明，LiCLO4/乙腈电解液非对称超级电容器能在[0-2.7V]的电位窗口顺利进行充放电测试，并且性能比较稳定。比电容比对称超级电容器约高一倍，这是因为非对称超级电容器不仅具有双电层电容，还具有由于聚苯胺氧化还原反应产生的鹰电容。3mA·cm-2电流密度充放电时，比电容为118.0F·g-1，能量密度为100.0Wh·Kg-1，功率密度为927.4W·Kg-1;经过1000次充放电循环，比电容为95.1F·g-1，能量密度和功率密度分别为67.7Wh·Kg-1和860.3W·Kg-1。NH602锉离子电解液非超级电容器电化学性能不佳。充电曲线在2.5V以上出现拐点，并导致充电时间过长，并且随着循环的进行，充电时间越来越短，表明2.5V以上所充的能量被电极表面物质的不可逆反应所消耗掉。通过对电极进行SEM，CV，EIS测试分析其原因可能为在测试过程中，聚苯胺在NH602铿离子电解液中可逆性较差，并且表面的聚苯胺小颗粒发生了解聚与自聚，聚苯胺表面变光滑，使得表面积下降，降低比电容。聚苯胺在NH602铿离子电解液中电阻过大，达到了若干数量级，这可能也是导致非对称超级电容器电化学性能较差的原因之一。

参考文献：

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（作者单位：天津普兰能源科技有限公司）