一种超级电容器水系电解液

摘要：对LiMn 2O 4/活性炭体系混合电容器进行研究,以活性炭为负极材料,尖晶石结构的

LiMn 2O 4为正极材料,Li 2SO 4为电解液。改变乙醇的含量,根据其电化学性能确定了该体系最佳的乙醇含量。

关键词：锰酸锂

活性炭

混合超级电容器

乙醇

中图分类号：TH145文献标识码：B DOI ：10.19710/ki.1003-8817.20180128

一种超级电容器水系电解液

马千里

（一汽解放汽车有限公司，长春130011）

作者简介：马千里（1986年—），男，工程师，大学本科，研究方向新能源。

1前言

超级电容器也称电化学电容器，是一种新型

的储能元件，兼有常规电容器的功率密度大和化学电源能量密度高的优点，可快速充放电，使用寿命长，既可以单独使用作为主要的储能器件，也可以与充电电池组成复合电源系统，在新能源发电、电动汽车、信息技术、航空航天和国防等领域都有广阔的应用前景。

电解液是超级电容器的关键材料，其性能对超级电容的内阻、寿命、倍率性能等具有重要的影响。超级电容的电解液分为酸性电解液、碱性电解液和中性电解液，酸性电解液对电极和集流体的腐蚀较大，碱性电解液又存在爬碱现象，使得密封成为难题，同时，由于酸性和碱性超级电容的离子活性较高，在充放电时电解液容易被分解，产生气体，导致电容器内部压力增大，从而造成安全隐患。

中性无机电解质盐和乙醇的混合溶液作为电

解液既没有污染，又能有低温性能，因此可以作为超级电容器水系电解液。

超级电容器水系电解液中低温添加剂采用乙醇，乙醇不仅能与水形成了良好的共溶体，而且乙醇的低冰点特性会使得整个电解液体系的冰点明显降低，进而提高超级电容器的低温性能。

改变电解液中的乙醇含量，根据其电化学性能确定了该体系最佳的乙醇含量。对不同乙醇含量的电解液的超级电容器进行测试，挑选出最佳比例。

2实验部分

按活性物质：导电剂（VGCF ）：粘结剂（PTFE ）=

80:15:5（LiMn 2O 4正极，新乡格瑞恩公司）和85:10:5

（活性炭负极，日本可乐丽公司），称取相应量物质混合均匀并辊压成膜，干燥后将电极膜压在金属网上，制得极片，进行SEM 表征。

按照LiMn 2O 4正极、隔膜、活性炭负极的顺序

放入CR2032扣式电容器壳中，注入水系电解液，

封装制成扣式超级电容器（LiMn 2O 4/活性炭）。

超级电容器的水系电解液中乙醇含量分别为

6%，21%，31%，41%，46%。

硫酸钠溶液的浓度分别为1mol/L。

采用Arbin超级电容器测试仪对超级电容器进行恒流充放电测试，充放电电流分别为0.1,0.15, 0.25,0.5和1.0A，计算超级电容器比容量。采用电化学工作站（CHI760D，上海辰华公司）对超级电容器进行循环伏安和交流阻抗测试，循环伏安测试的扫描速度为分别为2mV/s,5mV/s,10mV/s,20mV/s，交流阻抗频率范围为100kHz-10MHz，振幅为5mV。循环伏安和恒流充放电测试时，混合超级电容器的电压范围为0-1.6V。超级电容器的比电容C、比能量E以及比功率P按照公式（1）、（2）和（3）计算得到：

C=It/(mΔV)（1）

E=I∫V dt/m（2）

P=E/t（3）其中I为充放电电流；

t为充放电时间；

ΔV为t时间内的放电电压；

m为正负极活性物质质量。

采用发动机冷却液冰点测定仪（TD-516型，沈阳唐德实验室仪器有限公司）对超级电容器水系低温电解液进行冰点测试。

3试验分析

3.1扫描电子显微镜图

正负极各一张照片，放大比例10000倍。

图1中大块状的是LiMn2O4，杆状纤维的是导电剂VGCF，丝状纤维的是粘结剂PTFE。颗粒越大，离子传输的路径越长，所组成的超级电容器功率特性越差。颗粒越小，离子传输的路径越短，所组成的超级电容器功率特性越好。

图2中大块状的是活性炭，杆状纤维的是导电剂VGCF，丝状纤维的是粘结剂PTFE。颗粒越大，离子传输的路径越长，所组成的超级电容器功率特性越差。颗粒越小，离子传输的路径越短，所组成的超级电容器功率特性越好。

3.2冰点-比容量曲线

如图3所示，随着乙醇含量的增加，超级电容器的冰点逐渐降低。比容量在乙醇含量是41%是最高。乙醇含量从6%到21%的这段区间，比容量略有降低。从21%到41%比容量逐渐增大，从41%到46%比容量又降低。

3.3冰点-能量密度曲线

如图4所示，随着乙醇含量的增加，超级电容器的冰点逐渐降低。能量密度在乙醇含量是41%是最高。乙醇含量从6%到21%，能量密度略有降低。从21%到41%能量密度逐渐增大，从41%到46%能量密度又降低。

3.4恒流充放电曲线

从图5中可以看出，曲线表现出三角形对称特征。混合超级电容器在低压时，电压几乎直线增

图1正极LiMn2O4扫描电

子显微镜图图2负极活性炭扫描电子

显微镜图

图3冰点-比容量曲线

-16-14-12-10-8-6-4-20

冰点/℃

47.5

47.0

46.5

46.0

45.5

45.0

44.5

44.0

比

容

量

/

F

·

g

乙醇含量41%

乙醇含量31%

乙醇

含量46%

乙醇含量21%乙醇含量6%图4冰点-能量密度曲线

-16-14-12-10-8-6-4

冰点/℃

24.5

24.0

23.5

23.0

22.5

22.0

能

量

密

度

/

W

h

·

k

g

乙醇含量41%

乙醇含量31%

乙醇

含量46%

乙醇含量21%

乙醇含量6%