雙電層電容器中電極-離子液體界面雙電層結(jié)構(gòu)的實驗研究.pdf

1、雙電層電容器以其高功率密度和長循環(huán)壽命而被廣泛應(yīng)用于電動汽車、航空航天等領(lǐng)域，然而與二次電池相比，其能量密度較低。從雙電層電容器的計算公式E=1/2CV2得知，能量密度和電壓的平方成正比。因此，尋找電化學窗口較寬的電解液有利于提高雙電層電容器的能量密度。鑒于離子液體具有電化學窗口寬，不易燃，環(huán)境友好，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，它已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于雙電層電容器中。因此，研究離子液體與電極表面的雙電層結(jié)構(gòu)對于尋找性能優(yōu)異的離子液體作為雙電層電容器的

2、電解液至關(guān)重要。實驗上通常用微分電容曲線來研究雙電層和電勢之間的相互關(guān)系。
　　本論文首先對帶有芳香環(huán)的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(BMIM+/PF6-)和沒有芳香環(huán)的N-丁基-N-甲基吡咯烷六氟磷酸鹽(Pyr14+/PF6-)兩種離子液體在玻碳電極(GC)表面的電極過程動力學過程進行了研究。對GC/BMIM+/PF6-和GC/Pyr14+/PF6-兩個體系進行循環(huán)伏安和交流阻抗測試，結(jié)果表明:
　　循環(huán)伏安測得GC/

3、BMIM+/PF6-和GC/Pyr14+/PF6-的電化學窗口分別為-1.5～2.0V和-2.7～2.3V。兩個體系的Nyquist圖、Bode圖以及電容譜可以看出:1)電極/離子液體界面存在兩個并聯(lián)的電容CPE1和CPE2。造成兩個過程的原因是由于離子液體體積較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此電極/離子液體界面的雙電層電容存在弛豫效應(yīng)。CPE1是中高頻區(qū)雙電層電容，此時，離子和電極表面的長程的靜電作用力起主導作用;CPE2對應(yīng)于低頻區(qū)雙電層電容

4、，此時，離子之間的相互作用力以及離子與電極表面的非靜電作用力所引起的短程作用力起主導作用。在該體系中，雙電層電容等于中高頻電容和低頻電容之和。2)電容譜上都看到一個半圓，其代表雙電層電容。
　　在此基礎(chǔ)之上，研究上面的兩種具有相同陰離子、陽離子結(jié)構(gòu)相似的離子液體BMIM+/PF6-和Pyr14+/PF6-在玻碳電極上的微分電容曲線。
　　實驗結(jié)果表明:在相同條件下，陰離子相同、陽離子的結(jié)構(gòu)和半徑相似的兩種離子液體對應(yīng)的微分電

5、容曲線呈現(xiàn)了相反的趨勢:GC/BMIM+/PF6-在負電位下的微分電容比正電位下的大，GC/Pyr14+/PF6-在正電位下的微分電容值比負電位大。推測造成這種相反趨勢的原因可能是芳香性的咪唑環(huán)和sp2雜化的石墨之間的相互作用所引起的特性吸附減小了負電位下雙電層的厚度，而增加了正電位下的雙電層厚度。GC/BMIM+/PF6-的微分電容曲線也證實了該體系中存在這種特性吸附。而GC/Pyr14+/PF6-的微分電容曲線呈現(xiàn)與之相反趨勢的原因