【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学材料，具体涉及一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质及制备方法和应用。
技术介绍
1、超级电容器因其具有功率密度高、充放电速率快、使用寿命长的优势，在交通运输、无线电通信、能量回收、智能电表、清洁能源发电等领域得到广泛的应用，然而，由于超级电容器的能量密度较低，这严重限制了其应用范围的进一步扩大。研究表明，为超级电容器提供赝电容是一个行之有效的方法，为超级电容器提供赝电容的方式通常有两种，一种是提供赝电容电极材料，另一种是在电解液中加入赝电容，与赝电容电极材料相比，在电解液中加入赝电容，其在液相中发生氧化还原反应的速率比在电极材料中发生氧化还原反应的速率快好几个数量级，因此，通过在电解液中增加氧化还原物质以提供额外的法拉第容量，是保持超级电容器功率优势同时提高能量密度的一个非常有效的方法。
2、有机氧化还原介质因其来源广泛，储量丰富且可设计性更强，而受到电化学储能领域的广泛关注，其中，蒽醌类化合物具有二电子可逆的氧化还原反应以及快速的法拉第反应速率，在氧化还原电解质领域具有巨大潜力。
3、专利号为cn108807011a的一种超级电容器氧化还原型复合电解液，是通过将2，6-二羟基蒽醌或1，5-二羟基蒽醌作为氧化还原介质添加到koh水溶液中作为超级电容器复合电解液，利用蒽醌氧化还原介质在碳电极中同时提供双电层电容与赝电容，使得超级电容器的能量密度得到提升，然而，受限于水的分解电压(1.23v)，导致其获得水系超级电容器的电压低，由于能量密度与工作电压的平方成正比，因此，也限制了能量密度的提高。
4、与水相电解液相比，有机氧化还原物质在有机溶剂中具有更宽的耐压窗口(>2v)，将能提供更优的选择。ryu等人(electrochimica acta，370，2021，137809.)将蒽醌作为氧化还原介质添加到超级电容器的有机电解液中，可有效提升超级电容器的能量密度，但是，由于这些蒽醌分子不带电荷，导致其在有机溶剂中的溶解度受限，将其加入电解液中会增加有机溶剂的粘度，同时，降低电解液的离子电导率，这会严重阻碍超级电容器容量的提高，而且，蒽醌极易发生不可逆的聚合或分解反应，导致蒽醌类电解质的循环性能很差，不利于实际应用。
技术实现思路
1、本专利技术意在提供一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质，以提高其在有机电解液中的溶解度，同时，能够提高循环稳定性。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质，包括n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐，n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐由n-(三氟甲磺酰基)-磺酰亚胺基修饰的蒽醌阴离子与m+构成，其中，m+为金属阳离子和季铵盐阳离子中的任意一种，n-(三氟甲磺酰基)-磺酰亚胺基修饰的蒽醌阴离子的结构式为：
3、
4、本方案的有益效果为：本技术方案提供的n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐，是一种具有增溶效果和强吸电子的三氟磺酰亚胺基团连接的蒽醌氧化还原电解质盐，拥有优异的溶解度和电化学稳定性，这是因为三氟磺酰亚胺基团具有强的吸电子效果，使得得到电子的蒽醌发生电荷离域，能态降低，稳定性提高，同时，强极性的三氟磺酰亚胺基团在有机溶剂中的溶解度较高，将其引入蒽醌中可以提高整个分子的溶解度，n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐的溶解度可达到1.28mol/l，离子电导率可达51.2mscm-1，高于不添加n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐的电解液，将n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐添加到现有的有机电解液中，能够显著的提高比电容、能量密度以及容量保持率，且具有优异的倍率性能，因此，本技术方案提供的n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐能够提高其在有机电解液中的溶解度，同时，能够提高循环稳定性。
5、进一步，金属阳离子为li+、na+、k+中的任意一种，季铵盐阳离子为中的任意一种。
6、本方案的有益效果为：本技术方案选择正一价的li+、na+、k+以及季铵盐阳离子作为m+，能够与负一价的n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺阴离子相匹配，本专利技术经过的大量的实验研究，发现采用小尺寸的铵盐阳离子与负一价的n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺阴离子匹配，能够保证其与支撑电解质的兼容性好，避免沉淀析出，li+、na+、k+形成的盐均为可溶性盐，将其作为m+，既能保证其在超级电容器复合有机电解液中的溶解度，且廉价易得，具有很好的经济效益。
7、本申请还提供另一种技术方案，一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，包括以下步骤：
8、s1，制备n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐；
9、s2，制备n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺季铵盐。
10、本方案的有益效果为：通过本技术方案制备的n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐和n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺季铵盐均是一种具有增溶效果和强吸电子的三氟磺酰亚胺基团连接的蒽醌氧化还原电解质盐，拥有优异的溶解度和电化学稳定性，与在电解液中不添加n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐或n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺季铵盐相比，能够大大的提升电解液的离子电导率，以及n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐和n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺季铵盐的循环稳定性。
11、进一步，s1中n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐的制备方法，包括以下步骤：
12、s1.1，制备蒽醌-2-磺酰氯：分别称取一定量的a物质和氯化剂，进行干混，隔绝水氧，在100-120℃条件下，搅拌回流30-120min后，冷却至室温，再加入一号有机溶剂，隔绝水氧，在80-130℃条件下，搅拌回流10-120min，反应结束后，蒸馏得到黄色粉末，即蒽醌-2-磺酰氯，其中，a物质为蒽醌-2-磺酸钠、蒽醌-2-磺酸钾、蒽醌-2-磺酸锂、蒽醌-2-磺酸中的任意一种，a物质、氯化剂以及有机溶剂的质量份比为1：(1-5)：(10-100)；
13、s1.2，制备高纯蒽醌-2-磺酰氯：洗涤、烘干并提纯s1.1中制得的蒽醌-2-磺酰氯，得到高纯蒽醌-2-磺酰氯；
14、s1.3，制备n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐：分别称取一定量的碳酸盐、三氟甲磺酰胺以及极性非质子溶剂，混合均匀，再加入s1.2中制得的高纯蒽醌-2-磺酰氯，在80-120℃条件下，搅拌回流6-24h，反应结束后，依次过滤、蒸馏所得产物，再洗涤干燥所得固体产物，得到黄色固体，即n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐，其中，碳酸盐、三氟甲磺酰胺、极性非质子溶剂以及s2中制得的高纯蒽醌-本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质，其特征在于：包括N-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐，N-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐由N-(三氟甲磺酰基)-磺酰亚胺基修饰的蒽醌阴离子与M+构成，其中，M+为金属阳离子和季铵盐阳离子中的任意一种，N-(三氟甲磺酰基)-磺酰亚胺基修饰的蒽醌阴离子的结构式为：
2.根据权利要求1所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质，其特征在于：金属阳离子为Li+、Na+、K+中的任意一种，季铵盐阳离子为中的任意一种。
3.一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：S1中N-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐的制备方法，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：S2中N-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺季铵盐的制备方法，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种磺酰亚胺蒽
7.根据权利要求6所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：S1.1中的氯化剂为五氯化磷、二氯亚砜以及氯气中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：S1.1中的一号有机溶剂为甲苯、N,N-二甲基甲酰胺以及石油醚中的任意一种；S1.2中的二号有机溶剂为二氯甲烷、石油醚以及乙醚中的任意一种。
9.根据权利要求1-2任意一项所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质以及根据权利要求3-9任意一项所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法所得一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质在超级电容器有机电解液中的应用。
10.根据权利要求9所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的应用，其特征在于：超级电容器复合有机电解液包括支撑电解质、磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质以及乙腈碳酸丙烯酯溶剂，支撑电解质、磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质以及乙腈碳酸丙烯酯溶剂的质量份比为：(10-500)：1：(50-1000)。
...【技术特征摘要】
1.一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质，其特征在于：包括n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐，n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺盐由n-(三氟甲磺酰基)-磺酰亚胺基修饰的蒽醌阴离子与m+构成，其中，m+为金属阳离子和季铵盐阳离子中的任意一种，n-(三氟甲磺酰基)-磺酰亚胺基修饰的蒽醌阴离子的结构式为：
2.根据权利要求1所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质，其特征在于：金属阳离子为li+、na+、k+中的任意一种，季铵盐阳离子为中的任意一种。
3.一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：s1中n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺金属盐的制备方法，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质的制备方法，其特征在于：s2中n-(三氟甲磺酰基)-9，10-蒽醌-2-磺酰亚胺季铵盐的制备方法，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种磺酰亚胺蒽醌基氧化还原电解质...
【专利技术属性】
技术研发人员：李振湖，易泽军，刘双翼，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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