[发明专利]一种环状季铵盐电解质、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种环状季铵盐电解质、其制备方法及应用。

背景技术

超级电容器是近年来随着材料科学的突破而出现的一种介于传统电容器与电池之间的新型绿色环保物理储能器件，是物理储能中最具发展前景的一种技术装置，是对其他电化学储能技术的良好补充。其最大优点是，可短时间大功率输出，功率密度远高于锂电池，充放电循环次数可达50万次以上，寿命可达10年以上，充电时间短，可大电流充放电。广泛应用于新能源汽车、新能源发电、工程机械、轨道交通、升降设备和军事装备等领域。

超级电容器的核心材料是其电解质，目前商业化的电解质主要有：四乙基四氟硼酸铵、三乙基甲基四氟硼酸铵等电解质。然而由于这些电解质材料配制的电解液内阻较大、低温析出性能较差，所以对电解质提出了更高的要求来解决其内阻和低温性能。而利用环化的季铵盐作为电解质，能够有效减少分子的半径和空间位阻，提高其电解液的电导、溶解度，降低其电解液内阻，改善低温性能。

现有技术中的环状季铵盐类化合物的合成是以氢氧化钠、碳酸氢钠等为碱，在不同的介质中由仲胺与二卤代烷进行反应，然后经后处理提纯制得，但是，该后处理比较复杂。通常采用层析柱或者离子交换法进行提纯。层析柱处理能力小，容易饱和，需要经常更换或者进行活化处理，而活化处理需要消耗大量溶剂和能源，因此，采用层析柱进行提纯存在效率低和成本高的问题。而采用离子交换法提纯的溶剂无法回用，也存在成本高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种产品纯度高、收率高且生产成本低的环状季铵盐电解质及其制备方法，由该环状季铵盐电解质制成的电解液具有电导高、低温析出性能优异的特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种环状季铵盐电解质的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)、将无机碱水溶液、有机仲胺和二卤代烷，在80～130℃、0.1～2MPa下反应8～10h得到卤化环状季铵盐反应液；

步骤(2)、将步骤(1)得到的卤化环状季铵盐反应液在60～130℃下进行脱水得到固体粉末混合物；

步骤(3)、将步骤(2)得到的固体粉末混合物，溶解于无水有机溶剂中，然后过滤得到卤化环状季铵盐的有机溶液；

步骤(4)、向步骤(3)得到的卤化环状季铵盐的有机溶液中加入高纯酸的铵盐，进行回流反应8～10h，然后经过滤、重结晶、过滤、真空干燥，得到所述的环状季铵盐电解质。

优选地，步骤(1)中，所述的无机碱水溶液中的无机碱为选自：氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠中的任意一种或几种，所述的无机碱水溶液的质量浓度为10～20％。

优选地，步骤(1)中，所述的有机仲胺为选自二甲胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、N-乙基甲基胺、N-甲基正丙胺、N-甲基正丁胺、N-乙基正丙胺、N-乙基正丁胺、N-丙基丁胺中的任意一种或几种。

进一步优选地，步骤(1)中，所述的有机仲胺为选自二甲胺、二乙胺、N-乙基甲基胺、N-甲基正丙胺或N-甲基正丁胺。

优选地，步骤(1)中，所述的二卤代烷为选自1,4-二氯丁烷、1,5-二氯戊烷、1,6-二氯己烷、1,4-二溴丁烷、1,5-二溴戊烷、1,6-二溴己烷中的任意一种或几种。

进一步优选地，步骤(1)中，所述的二卤代烷为选自1,4-二氯丁烷或1,5-二氯戊烷。

优选地，步骤(1)中，所述的无机碱水溶液中的无机碱、有机仲胺和二卤代烷的投料摩尔比为0.5～1.05:1～1.1：1。

优选地，步骤(1)中的反应温度为80～100℃，反应压力为0.1～1MPa。

优选地，步骤(2)中，在100～120℃下进行脱水。

优选地，步骤(3)中，所述的无水有机溶剂为选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙腈、丙腈、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或几种。

进一步优选地，步骤(3)中，所述的无水有机溶剂为选自乙醇、乙腈或乙酸乙酯。

优选地，步骤(3)中，所述的固体粉末混合物和所述的无水有机溶剂的投料质量比为1:1～1.1。

优选地，步骤(4)中，所述的高纯酸的铵盐为四氟硼酸铵，所述的四氟硼酸铵与所述的卤化环状季铵盐的投料摩尔比为1～1.05:1。