一种基于电活性离子液体的新型离子型超级电容器的构筑方法技术

本发明专利技术公开一种基于电活性离子液体的新型离子型超级电容器的构筑方法。首先将烷基咪唑氯盐或溴盐的聚合离子液体与氧化石墨烯材料进行反应，还原后得到聚合离子液体

【技术实现步骤摘要】
一种基于电活性离子液体的新型离子型超级电容器的构筑方法


[0001]本专利技术涉及电极材料及能源存储
，具体涉及一种基于电活性离子液体的新型离子型超级电容器的构筑方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着全球经济的快速发展，全世界对化石燃料的消耗大幅度增加，使得现有化石燃料储备加速耗竭，因此，发展和扩大可持续的清洁能源以及相关技术的需要被认为是全世界的当务之急。由于超级电容器具有安全性能高、循环寿命长、存储容量大等优点，近年来受到了众多研究学者的广泛关注。
[0003]根据储能机理的不同，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器。其中，双电层电容器主要是通过电荷在电极表面吸附来存储能量。法拉第超级电容器主要是通过活性电极材料表面及其附近发生可逆的氧化还原反应，产生法拉第电容，从而实现能量的存储与转换。因而，法拉第超级电容器中的电极材料是实现能量存储与转换的关键，通常由金属氧化物和碳基材料构成。相较于双电层电容器而言，法拉第超级电容器往往具有更高的比电容和能量密度，但金属氧化物在溶解或沉积过程中，通常会发生相变，这就很可能会带来电极结构破坏、形成枝晶等结构稳定性问题，在一定程度上影响着电池的循环稳定性。因此，为了满足电子器件日益增长的能源需求，促进新型储能技术的发展，寻找成本低、功率和能量密度高、循环稳定性好的新型电极材料尤为重要。
[0004]石墨烯是电容器常用的电极材料组分，然而，由于范德华力的存在，利用化学还原法获得的石墨烯极易团聚，导致其有效比表面积减少，比电容降低，导电性和结构稳定性也会有所下降，因此抑制石墨烯的团聚是提高石墨烯应用性能的关键。咪唑基聚合离子液体由于具有π共轭结构，且为阳离子型离子液体聚合物，可以与氧化石墨烯通过π
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π相互作用或静电吸附作用相复合，从而有效抑制石墨烯材料的团聚堆积问题。此外，离子液体具有较强的结构可设计性及离子可交换性，可以进一步赋予石墨烯材料特殊的功能性。
[0005]将具有电化学氧化还原活性的阴离子交换至离子液体的结构单元中，可制备出一系列具有不同氧化还原电位的电活性离子液体及其聚合物。将电活性离子液体聚合物与高活性表面积的石墨烯材料相结合，可以有效提高石墨烯材料的结构稳定性，同时赋予石墨烯材料特定的电化学反应活性中心。进一步地，选取氧化还原电位较正的电活性石墨烯电极材料作为正极、较负的作为负极，即可组装一系列具有不同电压窗口的、电极结构稳定的、兼具高功率密度和高能量密度的新型离子型超级电容器。

技术实现思路

[0006]基于传统电容器能量密度低、金属氧化物基赝电容器电极材料结构稳定性差以及传统二次电池功率密度低的问题，本专利技术将电化学活性阴离子引入高比表面积的石墨烯材料表面，制备一系列电活性石墨烯电极材料，并将其应用于新型的离子型超级电容器。在充
放电过程中电极内部仅发生离子价态的变化，不涉及活性组分相变或溶解沉积过程，使其具有优异的结构稳定性，且同时兼具传统电容器的高功率密度和二次电池的高能量密度。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于电活性离子液体的新型离子型超级电容器的构筑方法，包括如下步骤：
[0008]1)将氧化石墨烯(GO)分散于去离子水中，将所得GO水分散液采用分级离心的方法得到低片层的二维氧化石墨烯(GO)纳米片；
[0009]2)将烷基咪唑溴盐或烷基咪唑氯盐离子液体单体和引发剂溶于氯仿中，在N2保护下70℃加热回流5～7h，冷却、洗涤，真空干燥，得到聚合离子液体(PILs)；
[0010]3)取适量步骤1)得到的二维氧化石墨烯(GO)纳米片分散于去离子水中后，依次加入步骤2)得到的PILs和水合肼，90～100℃反应1～2h，所得产物过滤，离心洗涤，得到聚合离子液体
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还原氧化石墨烯复合物(PILs
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rGO)；
[0011]4)将步骤3)得到的PILs
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rGO与具有不同电化学氧化还原活性阴离子(EAI)的无机盐或有机盐水溶液混合，室温下搅拌1h，使具有不同电化学氧化还原活性阴离子与离子液体中的溴或氯离子进行交换反应，得到具有不同氧化还原性质的电活性阴离子
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聚合离子液体
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还原氧化石墨烯复合物(EAI
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PILs
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rGO)；
[0012]5)将步骤4)得到的具有不同氧化还原性质的EAI
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PILs
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rGO分散于去离子水中，将集流体浸入或向集流体滴涂所得EAI
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PILs
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rGO分散液后，在60～80℃下干燥12～24h，重复浸入或滴涂和干燥步骤2～3次，制得具有不同氧化还原电位的活性电极材料，选取氧化还原电位较正的电极材料作为正极、氧化还原电位较负的电极材料作为负极，组装成基于电活性离子液体的新型不对称离子型超级电容器。
[0013]进一步的，上述的构筑方法，步骤1)中，所述采用分级离心的方法得到低片层的二维氧化石墨烯GO纳米片，具体为：在1000r/min～12000r/min转数下对GO水分散液从低转数到高转速进行阶梯式离心，取低转速离心获得的上清液继续进行高转数离心，直至离心后无沉淀为止，取最高转数下离心获得的沉淀物为低片层的二维氧化石墨烯GO纳米片。
[0014]进一步的，上述的构筑方法，步骤2)中，所述烷基咪唑溴盐或烷基咪唑氯盐离子液体单体是含有不饱和键的烷基咪唑溴盐或烷基咪唑氯盐离子液体单体。
[0015]进一步的，上述的构筑方法，步骤2)中，所述引发剂是偶氮二异丁腈(AIBN)。
[0016]进一步的，上述的构筑方法，按质量比，离子液体单体:引发剂＝50:1。
[0017]进一步的，上述的构筑方法，步骤3)中，按质量比，二维氧化石墨烯(GO)纳米片:聚合离子液体(PILs)＝1:10。
[0018]进一步的，上述的构筑方法，步骤4)中，具有不同电化学氧化还原活性阴离子(EAI)的无机盐或有机盐包括：铁氰化钾、磷钨酸、硝酸铈铵、氨基酸、蒽醌
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磺酸钠、4,5
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二羟基
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1,3苯二磺酸二钠和二茂铁苯磺酸钠。
[0019]进一步的，上述的构筑方法，步骤5)中，所述集流体包括泡沫镍、碳纸、石墨毡、石墨板和导电玻璃。
[0020]进一步的，上述的构筑方法，步骤5)中，所述EAI
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PILs
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rGO分散液的浓度为1～10mg/mL。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1、本专利技术提出的利用离子液体的离子交换性以及石墨烯材料的高导电性和高比
表面积，制备一系列电活性石墨烯基复合电极材料，该材料具有优异的电化学氧化还原反应可逆性、较大的比表面积以及可调的氧化还原电位，可以构筑一系列具有不同电化学窗口的新型离子型超级电容体系，方法简单，具有普适性。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电活性离子液体的新型离子型超级电容器的构筑方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将氧化石墨烯GO分散于去离子水中，将所得GO水分散液采用分级离心的方法得到低片层的二维氧化石墨烯GO纳米片；2)将烷基咪唑溴盐或烷基咪唑氯盐离子液体单体和引发剂溶于氯仿中，在N2保护下70℃加热回流5～7h，冷却、洗涤，真空干燥，得到聚合离子液体PILs；3)取适量步骤1)得到的二维氧化石墨烯GO纳米片分散于去离子水中后，依次加入步骤2)得到的PILs和水合肼，90～100℃反应1～2h，所得产物过滤，离心洗涤，得到聚合离子液体
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还原氧化石墨烯复合物PILs
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rGO；4)将步骤3)得到的PILs
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rGO与具有不同电化学氧化还原活性阴离子EAI的无机盐或有机盐水溶液混合，室温下搅拌1h，得到具有不同氧化还原性质的电活性阴离子
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聚合离子液体
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还原氧化石墨烯复合物EAI
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PILs
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rGO；5)将步骤4)得到的具有不同氧化还原性质的EAI
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PILs
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rGO分散于去离子水中，将集流体浸入或向集流体滴涂所得EAI
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PILs
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rGO分散液后，在60～80℃下干燥12～24h，重复浸入或滴涂和干燥步骤2～3次，制得具有不同氧化还原电位的活性电极材料，选取氧化还原电位较正的电极材料作为正极、氧化还原电位较负的电极材料作为负极，组装成基于电活性离子液...

【专利技术属性】
技术研发人员：房大维，刘珠玲，井明华，马晓雪，杨宇轩，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：