本文關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器電解質(zhì)用四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽的合成及應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 超級(jí)電容器 電解質(zhì) 有機(jī)電解液 四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽 活性炭

【摘要】：超級(jí)電容器又名電化學(xué)電容器,綜合性能處于化學(xué)電池與傳統(tǒng)電容器之間,是一種新型的能量?jī)?chǔ)存器件。目前,尚且存在著能量密度較低的缺點(diǎn)。在超級(jí)電容器的研究領(lǐng)域中,近幾年科學(xué)家們將研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到如何提高能量密度上。能量密度公式2=5.0 CUE(E為能量密度,C為比電容,U為工作電壓),其中比電容與工作電極性能相關(guān),工作電壓主要由電解液決定。根據(jù)電解液的狀態(tài)和電解質(zhì)的屬性,超級(jí)電容器的電解液主要有四種類型。其中之一的有機(jī)電解液因成本相對(duì)低廉、電化學(xué)性能優(yōu)良、工作電壓較高,成為工業(yè)上應(yīng)用范圍最廣泛的電解液。超級(jí)電容器電極材料按活性物質(zhì)的種類,可分為三種類型,其中之一的碳基電極因成本低,循環(huán)壽命長(zhǎng),充放電效率高而廣泛的應(yīng)用于超級(jí)電容器中。本文以自制的溴代螺環(huán)季銨鹽(SQA-Br)、四氟硼酸(HBr F_4)為原料,在負(fù)壓的條件下離子交換得到電解質(zhì)四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽(SQA-BF_4)。通過條件實(shí)驗(yàn),考察單因素對(duì)溴代螺環(huán)季銨鹽(SQA-Br)轉(zhuǎn)化率的影響,確定最佳合成條件的取值范圍,再利用響應(yīng)面(RSM)試驗(yàn)進(jìn)一步精確分析各因素之間的關(guān)系,確定最優(yōu)的工藝合成條件;通過FT-IR、LC-MS、NMR、TG-DTG對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征。在手套箱氮?dú)夥諊聦⑻峒�、真空干燥后的四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽(SQA-BF_4)與溶劑配制成電解液,測(cè)試電導(dǎo)率,并將電解液應(yīng)用于超級(jí)電容器,測(cè)試相關(guān)電化學(xué)性能。探索了溶劑種類,電解質(zhì)濃度,活性炭材料種類,導(dǎo)電劑種類等對(duì)超級(jí)電容器電化學(xué)綜合性能的影響。單因素實(shí)驗(yàn)可知,合成四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽的反應(yīng)溶劑為乙醇,工藝條件優(yōu)化區(qū)間為:SQA-Br:HBF_4在1:1.5~1:2.5,反應(yīng)溫度在50~70℃,反應(yīng)時(shí)間在4~6h。響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)一步精確確定反應(yīng)條件:SQA-Br:HBF_4=1:2.5,溫度72℃,反應(yīng)時(shí)間4h,此條件下轉(zhuǎn)化率達(dá)到86.66%。紅外光譜測(cè)試結(jié)果,在2856 cm~(-1),1465 cm~(-1)處出現(xiàn)亞甲基(CH_2)的吸收峰,在1256cm~(-1)處出現(xiàn)氮?dú)滏I(C-N)的吸收峰,在1020 cm~(-1)處出現(xiàn)碳碳鍵(C-C)的吸收峰,在911 cm~(-1)處出現(xiàn)C-O-C的吸收峰,合成樣品具有四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽(SQA-BF_4)所含有的官能團(tuán),與理論一致;液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析表明產(chǎn)物陽(yáng)離子分子質(zhì)量為142.3,與四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽(SQA-BF_4)陽(yáng)離子分子量一致;核磁共振分析表明,在~(13)C-NMR譜圖中,63.11 ppm,61.97 ppm,58.99 ppm,20.94ppm化學(xué)位移處出現(xiàn)碳的特征峰,與理論目標(biāo)產(chǎn)物的峰數(shù)及化學(xué)位移相一致。~1H NMR譜圖中,在δ4.03 3.88(m,4H),3.65 3.50(m,5H),3.48 3.36(m,4H),2.20 2.05(m,4H)處出現(xiàn)特征峰與目標(biāo)產(chǎn)物氫的種類數(shù)一致。19F-NMR譜圖中,在δ~(-1)50.36處出現(xiàn)氟的特征峰,與理論一致;熱重分析證明該物質(zhì)室溫至382℃區(qū)間內(nèi),幾乎不分解,熱穩(wěn)定性良好,適用于做高穩(wěn)定性的超級(jí)電容器電解液電解質(zhì)。通過對(duì)溶劑種類,電解質(zhì)濃度因素的考察,確定在溶劑為AN+PC+DMF(1:1:1),電解質(zhì)SQA-BF_4濃度為1mol/L時(shí),超級(jí)電容器的工作電壓達(dá)到3.0 V,比電容18.53F·g~(-1),充放電效率94.31%,能量密度83.40 J·g~(-1),性能優(yōu)于同等條件下以四乙基四氟硼酸銨(Et4NBF_4)為電解質(zhì)的超級(jí)電容器。通過對(duì)活性炭材料種類,導(dǎo)電劑種類的選擇,確定活性炭材料為KLL,導(dǎo)電劑為石墨烯時(shí),超級(jí)電容器的工作電壓達(dá)到3.8 V,比電容20.14 F·g~(-1),能量密度為145.41 J·g~(-1)。
【關(guān)鍵詞】：超級(jí)電容器 電解質(zhì) 有機(jī)電解液 四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽 活性炭
【學(xué)位授予單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-24
• 1.1 超級(jí)電容器簡(jiǎn)介11-16
• 1.1.1 超級(jí)電容器的工作原理及分類12-13
• 1.1.2 超級(jí)電容器的應(yīng)用13-15
• 1.1.3 超級(jí)電容器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)15-16
• 1.2 超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展16-17
• 1.2.1 碳材料16-17
• 1.2.2 金屬氧化物材料17
• 1.2.3 導(dǎo)電聚合物材料17
• 1.3 超級(jí)電容器電解液17-19
• 1.3.1 電解液的分類17-19
• 1.4 季銨鹽類電解質(zhì)19-21
• 1.4.1 短直鏈季銨鹽電解質(zhì)19-20
• 1.4.2 螺環(huán)季銨鹽電解質(zhì)20-21
• 1.5 研究目的意義及內(nèi)容21-24
• 1.5.1 研究的目的意義21-22
• 1.5.2 研究的內(nèi)容22-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料和表征方法24-31
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料24-25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器25
• 2.3 實(shí)驗(yàn)部分25-26
• 2.3.1 碳基電極的制備25-26
• 2.3.2 電解液的配制26
• 2.3.3 模擬超級(jí)電容器的組裝26
• 2.4 四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽的表征測(cè)試方法26-28
• 2.4.1 紅外光譜測(cè)試測(cè)試（FT-IR）26-27
• 2.4.2 液質(zhì)聯(lián)用測(cè)試(LC-MS)27
• 2.4.3 核磁共振測(cè)試（NMR）27
• 2.4.4 熱穩(wěn)定性測(cè)試（TG）27-28
• 2.5 活性炭電極的表征測(cè)試方法28
• 2.5.1 四探針測(cè)試儀28
• 2.5.2 比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析（BET）28
• 2.6 電化學(xué)性能的測(cè)定方法28-31
• 2.6.1 電導(dǎo)率測(cè)試28-29
• 2.6.2 循環(huán)伏安測(cè)試29
• 2.6.3 恒電流充放電測(cè)試29-31
• 第三章 四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽的合成及表征31-47
• 3.1 實(shí)驗(yàn)部分31-34
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)原理31-32
• 3.1.2.合成方法32-33
• 3.1.3 轉(zhuǎn)化率的測(cè)定及計(jì)算33-34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論34-46
• 3.2.1 單因素優(yōu)化試驗(yàn)34-37
• 3.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)37-42
• 3.2.3 表征42-46
• 3.3 本章小結(jié)46-47
• 第四章 四氟硼酸螺環(huán)季銨鹽電解液的電化學(xué)性能研究47-68
• 4.1 實(shí)驗(yàn)部分47-48
• 4.1.1 電極的制備47
• 4.1.2 電解液的配制47-48
• 4.1.3 模擬超級(jí)電容器的組裝48
• 4.2 結(jié)果與討論48-67
• 4.2.1 溶劑對(duì)工作電解液性能的影響48-54
• 4.2.2 SQA-BF_4 濃度對(duì)工作電解液性能的影響54-57
• 4.2.2.1 SQA-BF_4濃度對(duì)工作電解液電導(dǎo)率的影響54
• 4.2.2.2 濃度對(duì) SQA-BF_4 電解液循環(huán)伏安性能的影響54-56
• 4.2.2.3 濃度對(duì) SQA-BF_4 工作電解液充放電性能的影響56-57
• 4.2.3 電解質(zhì)種類對(duì)工作電解液性能的影響57-60
• 4.2.4 碳材料電極種類對(duì)超級(jí)電容器性能的影響60-64
• 4.2.5 不同導(dǎo)電劑對(duì)超級(jí)電容器性能的影響64-67
• 4.3 本章小結(jié)67-68
• 第五章 總結(jié)與展望68-71
• 5.1 總結(jié)68-69
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)69
• 5.3 展望69-71
• 參考文獻(xiàn)71-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文78-79
• 致謝79

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：578497