[发明专利]一种以氧化还原介质掺杂的有机相凝胶为电解质的电化学超级电容器

说明书

技术领域

本发明属于电化学超级电容器技术领域，具体涉及一种以氧化还原介质掺杂的有机相凝胶为电解质的电化学超级电容器。

背景技术

超级电容器是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和电池之间的储能设备。在过去的几十年间，超级电容器作为有望取代电池或者成为电池的辅助电源的充电设备，受到研究者的广泛关注。电解质是超级电容器的重要组成部分，对器件的整体性能有很大影响，决定着超级电容器的工作电压范围，储电容量和工作环境。近年来，一些研究表明在传统的惰性电解质中添加诸如KI、[Fe(CN)₆]^2-或苯醌、甲基蓝等具有可逆的氧化还原活性的介质，可进一步提高电解质的电化学性能，如提高电解质的离子电导率，而氧化还原反应本身则为超级电容器提供了额外的赝电容，同时这些电子还加快了电解质与电极的电荷传输，改善了两者间的电化学接触，使得超级电容器的循环稳定性得到提升。

文献报道的上述各种氧化还原介质都是被应用于水系电解质中，而可用于有机相电解质中的氧化还原介质还没有被探索。有机相电解质相对于水系电解质具有非常宽的工作电位窗口，这意味着基于有机相电解质的超级电容器将具有更高的能量密度。在有机相电解质添加高效的氧化还原介质将会进一步增加这一优势，使得氧化还原介质这项研究更加完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种以氧化还原介质掺杂的有机相凝胶为电解质的电化学超级电容器。

本发明所述的超级电容器为三明治结构，依次由第一导电基底、第一导电聚合物薄膜、有机凝胶电解质层、第二导电聚合物薄膜和第二导电基底组成。

导电基底为导电玻璃PET-ITO、碳纤维布、碳纤维纸中的一种。

导电聚合物为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚苯胺、聚吡咯及其衍生物中的一种，采用电聚合、电沉积或化学聚合的方法直接沉积在导电基底上。

进一步，可以采用多圈扫描循环伏安方法将导电聚合物电沉积在导电基底上，制备成超级电容器的电极材料。

将两个完全一致的超级电容器的电极材料与有机凝胶电解质层组装成超级电容器，氮气氛围下封装，测试。

进一步，是将聚合物、增塑剂、电解质和氧化还原介质混合后充分溶解，得到氧化还原介质掺杂的有机凝胶电解质溶液，然后采用浇铸或浸润的方式在超级电容器的电极材料上制备得到有机凝胶电解质层，厚度为20～500μm；有机凝胶电解质层中，增塑剂的体积用量为2mL、聚合物的质量分数为10％～35％、电解质的浓度为0.5M～2M、氧化还原介质的浓度为10～70mM。

上述方法中，聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氧乙烯、聚氧丙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯中的一种以上；增塑剂为碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺中的一种以上；电解质为烷基铵盐如四乙基胺四氟硼酸、四丁基胺六氟磷酸、高氯酸盐如高氯酸锂、高氯酸钾中的一种以上。

为了填补氧化还原介质掺杂的超级电容器电解质在有机相的空白，我们研究了有机相电解质中氧化还原介质对超级电容器性能的影响，探索出两种类型的氧化还原介质：二茂铁(Fc)和4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(4-oxoTEMPO)，其结构如下式所示。它们在有机溶剂中有很好的溶解性并且有非常优良的氧化还原可逆性(如图8所示)。由它们与聚合物、增塑剂、电解质制备的有机相凝胶(Gel Polymer Electrolyte，GPE)作为有机凝胶电解质层组装成的柔性全固态超级电容器表现出明显的比容量的提升，以及循环稳定性等性能的改善。

本发明利用有机凝胶电解质中掺杂介质的快速可逆的氧化还原反应与超级电容器电极材料的电子协同作用，极大得提高了超级电容器电极材料的比容量、能量密度。器件的多圈循环稳定性和不同充放电电流密度下的比电容保持性都得到了改善，证明该方法是一种简便且普适的用于提高超级电容器材料和器件性能的有效手段。