利用混合电解质提高超级电容器电化学性能的方法技术

本发明专利技术公开了利用混合电解质提高超级电容器电化学性能的方法，包括S1，选择模型与参数；S2，选取几种需要研究的离子液体，利用结构优化得出离子的直径，确定正离子或负离子的数密度；S3，确定电极材料与离子间的作用力；S4，使用CDFT计算离子分布；S5，基于离子分布，计算表面电荷密度和积分电容；S6，采用电化学工作站进行CV曲线的测试，通过CV曲线计算出超级电容器的电容；S7，通过理论模拟和实验验证RTIL混合物对超级电容器性能的影响。本发明专利技术由于排除体积效应减小和静电相互作用增强，添加较小的阴离子可以抑制交替分层结构。根据离子液体的实际参数，预测了RTIL混合物的最佳组成，从而产生最大积分电容，与实验观察结果相符。与实验观察结果相符。与实验观察结果相符。

【技术实现步骤摘要】
利用混合电解质提高超级电容器电化学性能的方法


[0001]本专利技术属于超级电容器
，涉及超级电容器的性能提升，具体涉及一种利用混合电解质提高超级电容器电化学性能的方法。

技术介绍

[0002]传统化石能源资源的日益匮乏，使可再生能源的发展受到广泛关注。然而，以风能、太阳能为基础的可再生能源发电取决于自然资源条件，具有波动性和间歇性，不能直接上网供电。在可再生能源发电或传统发电系统中增加一个电能存储环节，使发电和负荷间得到一定程度的解耦，可以有效解决系统稳定性、电能质量和经济运行等方面的问题。
[0003]超级电容器，又称双电层电容器，是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，既有化学电池的高比能量也有传统物理电容器的高比功率的优点。双电层电容器的基本原理是利用带电多孔电极材料吸附电解质中的离子，正极和负极的多孔电极材料微孔表面分别吸附相反电荷的离子，在电极/电解质界面形成双电层来存储能量。
[0004]当前超级电容器的研究发展主要集中在提升产品的能量密度以及降低生产成本两个方面。根据超级电容器的能量密度E＝CU2/2(其中U为电容器的工作电压，C为电容器的电容)，可以从提高超级电容器的工作电压和电容两个方面来提升超级电容器的能量密度，其中工作电压与电解质的电化学窗口电压(平衡分解电压)有关，而电容则与电极材料及其结构有关，与电解质也相关，因此通过改变电极材料以及电解质两个方面可以提高超级电容器的工作电压和电容。超级电容器的工作电压很大程度上取决于电解质的种类。对于水溶液来说，电化学窗口U在1V以下。对于有机溶剂电解质U在2.5
‑
3.0V，而离子液体的稳定电压更高，利用离子液体作为电解质可以极大地提高工作电压，故离子液体成为超级电容器最常见的电解质。
[0005]由于离子液体的正负离子大小通常不一样，正负电极的最大工作电压也会不同，为了让超级电容器的电化学窗口最大化，应尽量使正负电极比较对称，目前已经有不少方法达到这一目的，如注入电荷、平衡质量以及选择不同的正负极炭材料等，但都稍显复杂，事前缺乏更简洁的预测方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为解决上述技术问题进行，针对实际电化学问题中的超级电容器，为了让超级电容器的电化学窗口最大化，提出了一种利用离子液体混合物作电解质提高超级电容器的电化学性能的预测方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供的利用混合电解质提高超级电容器电化学性能的预测方法，采用经典密度泛函理论(CDFT)研究RTIL混合物在电极附近的EDL性质，主体分析步骤如下：
[0008]S1，选择模型与参数：选择原始模型表示离子液体，正负离子分别用不同大小的带电硬球表示，利用带电平面表示电极；
[0009]S2，选取几种需要研究的离子液体，利用结构优化得出离子的直径，确定正离子或
负离子的数密度；
[0010]S3，确定电极材料与离子间的作用力；
[0011]S4，使用CDFT计算离子分布，在给定温度和一组离子浓度下，CDFT预测电极表面附近的离子分布；
[0012]S5，基于离子分布，计算表面电荷密度和积分电容；
[0013]S6，通过实验测得RTIL作为电解液的EDL电容。在传统的三明治(sandwich) 装置中放入两个完全相同的洋葱炭电极作为正负电极材料，利用电化学工作站进行 CV曲线(cyclic voltammetry)的测试，通过CV曲线即可计算出超级电容器的电容；
[0014]S7，通过理论模拟和实验验证RTIL混合物对超级电容器性能的影响。
[0015]各步骤详细内容如下：
[0016]S1，选择模型及参数
[0017]利用原始模型表示离子液体，这类粗粒化的模型没有考虑具体的化学性质，但是它考虑了离子的体积排斥作用以及静电关联作用(如传统的泊松
‑
玻尔兹曼方程方程忽略了这两种作用)，这两种效应对于描述基于RTIL的EDLC的性能很重要。该模型中，正负离子分别用不同大小的带电硬球表示，利用带电平面表示电极，采用式(1) 表示离子间相互作用：
[0018][0019]其中，r是离子之间的球心距，e是基本电荷，σ
i
和Z
i
分别表示离子的直径和所带电荷，ε
r
表示相对介电常数，ε0表示真空介电常数；
[0020]S2，确定离子直径及数密度
[0021]通过匹配所选择的离子液体中的分子体积和离子物种电荷来选择模型参数(即硬球直径和离子价态)，最好选择的离子液体是广泛应用于电化学装置的液体。整个工作过程中，阴离子和阳离子均有固定的价态，两种离子的直径分别可以确定，分别使用Materials Studio软件中的Dmol模块优化的分子体积估算有效直径，确定混合物的总数密度，对整个电化学电池施加总电荷中性。
[0022]S3，确定电极材料与离子间的作用力
[0023]在标准EDL理论中，电极被建模为刚性平面壁。该模型是洋葱状碳电极外表面的简化，用于RTIL混合物效应的实验研究。OLC颗粒呈球形，直径在5至10nm之间，且无微孔。分子动力学模拟表明，当粒径超过一定纳米数值时，曲率对OLC
‑
EDLC 的影响相对较小。因此，平面模型模拟了实验研究的OLC
‑
EDLC带电壁，对每个离子施加一个外电势，电极材料与离子间的作用力可以表示为：
[0024][0025]其中，V代表作用力，Z
i
表示离子所带电荷，e是基本电荷，Q表示电极表面电荷密度，z是垂直于平板方向的距离，σ
i
表示离子直径；
[0026]S4，使用使用CDFT计算离子分布和随后的电容
[0027]在给定温度T和一组离子浓度ρ
i
(z)下，使用CDFT预测电极表面附近的离子分布，
其中局部电势可通过泊松方程得到，泊松方程方程的边界条件由外界加在电极表面的电势自洽求解。
[0028]在CDFT计算中，假设电极表面的电势ψ为常数，电荷密度Q根据总电荷中性条件计算。为了解孔道内部的离子密度分布和局部电势，本专利技术从离子密度曲线的初始猜测开始；然后根据离子密度曲线计算每个离子物种的局部过量化学势和局部电势。接下来，从离子密度等式中获得一组新的离子密度曲线，重复该过程直到收敛，计算过程如下：
[0029]给定温度和体相离子浓度计算孔道内部的离子密度分布ρ
i
(z)：
[0030][0031]其中β＝1/k
B
T，k
B
是波尔兹曼常数，表示非均相过剩化学势，ψ(z) 表示局部电势，可以从泊松方程得到：
[0032][0033]泊松方程方程的边界条件为：
[0034]ψ(0)＝ψ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0035]ψ(∞)＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用混合电解质提高超级电容器电化学性能的方法，其特征在于，采用经典密度泛函理论研究RTIL混合物在电极附近的EDL性质，包括如下步骤：S1，选择模型及参数：利用原始模型表示离子液体，结合离子体积排斥以及静电关联作用，采用下式表示离子间相互作用：其中，r是离子之间的球心距，e是基本电荷，σ
i
和Z
i
分别表示离子的直径和所带电荷，ε
r
表示相对介电常数，ε0表示真空介电常数；S2，确定离子直径及数密度：通过匹配所选择的离子液体中的分子体积和离子物种电荷来选择模型参数；整个工作过程中，阴离子和阳离子均有固定的价态，两种离子的直径分别可以估算，并根据直径确定混合物的总数密度，对整个电化学电池施加总电荷中性；S3，确定电极材料与离子间的作用力：其中，V代表作用力，Z
i
表示离子所带电荷，e是基本电荷，Q表示电极表面电荷密度，z是垂直于平板方向的距离，σ
i
表示离子直径；S4，给定温度和一组离子浓度下，CDFT预测电极表面附近的离子分布：给定温度和体相离子浓度计算孔道内部的离子密度分布ρ
i
(z)：其中β＝1/k
B
T，k
B
是波尔兹曼常数，表示非均相过剩化学势，ψ(z)表示局部电势，可以从泊松方程得到：泊松方程方程的边界条件为：ψ(0)＝ψ0ψ(∞)＝0ψ0表示外界加在电极表面的电压；S5，计算表面电荷密度和积分电容得到离子分布和电势曲线后，计算表面电荷密度(Q)和积分电容(C)：C＝Q/(ψ
‑
PZC)，其中，PZC表示零电荷的电势；S6，采用电化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：练成，牛彦普，程锦，刘洪来，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：