[发明专利]一种高能量密度超级电容器

说明书

本发明提供了一种高能量密度超级电容器，包括还原氧化石墨烯电极和离子液体电解液；所述离子液体电解液包括咪唑类离子液体和/或脂肪铵类离子液体，且所述咪唑类离子液体和脂肪铵类离子液体具有相同的阴离子。本发明设计了具有相同阴离子的两种离子液体作为电解液，并在超级电容器中使用了还原氧化石墨烯电极，通过控制电解液与电极的相互作用，同时实现高电压窗口和高的比电容，进一步的获得超级电容器的高能量密度。实验结果表明，本发明中的超级电容器工作电压可以达到4.7V，最大比电容为293.1F·g^‑1，最大的能量密度为176.5Wh·kg^‑1。

技术领域

本发明属于能量存储技术领域，尤其涉及一种高能量密度超级电容器。

背景技术

超级电容器(也称为“超级电容器”或“双电层电容器”)是电化学电容器，其电容值远高于其他电容器。由于其高能量密度，快速充电/放电能力，超过一百万次充电循环的长寿命以及在-40℃至70℃的宽温度范围内工作的能力，超级电容器被广泛用于储能和能源供应。由于电池的生产和处置会对环境污染和人体健康造成不利影响，近年来，超级电容器中的环保材料及其低维护成本促进了超级电容器的发展。此外，超级电容器比电池优越，因为它们可以提供更高的功率密度(最高45kW kg^-1)和更长的循环寿命(一百万次循环)。尽管如此，超级电容器的能量密度比电池的能量密度低约一个数量级，这限制了超级电容器在实际应用中的使用。

超级电容器的能量密度(E)由E＝1/2CV²给出，它与比电容(C)和工作电压窗口(V)的平方成正比。尽管比电容取决于电极和电解液的性质，但工作电压窗口取决于电解液的稳定性，并且还取决于存在表面氧官能团的电极表面的性质。由于电解液是确定比电容和工作电压窗口的决定因素之一，因此开发具有宽电化学稳定性窗口和提供高电容能力的电解液对于提高超级电容器能量密度至关重要。在这方面，室温离子液体，也称为熔融盐，由于其宽的电化学稳定性窗口通常大于4V，作为潜在的下一代超级电容器电解液被广泛研究。

迄今为止，最常见的单一组分的含有阳离子为咪唑(imidazolium)，吡啶(pyridinium)，铵(ammonium)和吡咯烷(pyrrolidinium)的离子液体已经被广泛研究。但现有的超级电容器用电解液的或者电化学稳定性窗口较窄，或者电导率较低，而且，均存在能量密度较低的问题，因此，需要进一步研发具有需要的性能的新型离子液体以增强超级电容器的能量密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能量密度超级电容器，本发明中的超级电容器同时具有高电压窗口、高电容量和较高的能量密度。

本发明提供一种高能量密度超级电容器，其特征在于，包括还原氧化石墨烯电极和离子液体电解液；

所述离子液体电解液包括咪唑类离子液体和/或脂肪铵类离子液体，且所述咪唑类离子液体和脂肪铵类离子液体具有相同的阴离子。

优选的，所述离子液体电解液中的阴离子为双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺根。

优选的，所述咪唑类离子液体和脂肪铵类离子液体的体积比为 (0.05～0.95)：(0.95～0.05)。

优选的，所述咪唑类离子液体和脂肪铵类离子液体的体积比为0.5：0.5。

优选的，所述咪唑类离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基) 酰亚胺离子液体；所述脂肪铵类离子液体为丁基三甲基铵双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺离子液体。

优选的，所述还原氧化石墨烯电极的比表面积为225～308m²·g^-1。

优选的，所述还原氧化石墨烯电极的孔体积为0.6～0.9cm³·g^-1。

优选的，所述还原氧化石墨烯电极的孔径为11～13nm。