离子液体基电解质在超级电容器中的应用研究

本项目针对目前超级电容器发展的瓶颈-能量密度明显不足，提出其核心问题在于电解质的应用设计。超级电容器的工作原理决定了其能量密度最大限度地受制于电容器的工作电压，而电解质的电化学电位窗口是工作电压实现的基础。因此，电解质对超级电容器的能量性能起着关键作用。本项目以无环境污染，且具有宽电化学电位窗口的离子液体为媒介，设计能大幅度提高超级电容器性能的离子液体基电解质，包括无溶剂纯离子液体电解质、离子液体胶固体电解质和离子液体聚合物凝胶电解质等；通过离子液体基电解质在所设计的非对称混合电容器中的应用研究，解析电极材料在非质子电解质中实现法拉第准电容储/放电机制，为优化超级电容器性能提供基本理论依据和实验数据支持。

超级电容器作为一种长寿命、高功率的新型电化学储能器件发展迅速。然而，其能量密度却不足传统电池的十分之一。为了提高超级电容器的能量密度，增加电容器的电容和工作电压是可行的两种途径。由于超级电容器的能量密度与工作电压的平方成正比，因此，通过设计合适的电解质来扩大器件的工作电压在理论上对提高超级电容器的能量性能最行之有效。本项目以离子液体为媒介设计电解质，制备了质子离子液体/固体酸复合电解质，相对于传统固体酸电解质电导率提高2-4个数量级；合成了质子离子液体/硅凝胶固态无机电解质，室温电导率达到5.24×10-3 S/cm；合成了质子离子液体/PVA复合凝胶电解质和掺离子液体的PVDF/PVAc复合凝胶电解质，这两种膜态电解质光滑而有韧性，电导率量级均在10-3 S/cm。所有基于离子液体设计的电解质的电位窗口均为3V左右，组装的炭基超级电容器具有70-100F/g的电容，且在500-1000次的充放电循环中能保持90%左右的容量。这些离子液体基电解质不挥发，无渗漏，安全环保，且易于实现柔性器件设计，为超级电容器的发展提供了可行的发展方向和基础数据支持。