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

1、雙電層電容器以其高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)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(jì)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(xué)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(xué)窗口寬，不易燃，環(huán)境友好，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(shí)驗(yàn)上通常用微分電容曲線來(lái)研究雙電層和電勢(shì)之間的相互關(guān)系。
　　本論文首先對(duì)帶有芳香環(huán)的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(BMIM+/PF6-)和沒(méi)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(guò)程動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究。對(duì)GC/BMIM+/PF6-和GC/Pyr14+/PF6-兩個(gè)體系進(jìn)行循環(huán)伏安和交流阻抗測(cè)試，結(jié)果表明:
　　循環(huán)伏安測(cè)得GC/

3、BMIM+/PF6-和GC/Pyr14+/PF6-的電化學(xué)窗口分別為-1.5～2.0V和-2.7～2.3V。兩個(gè)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(gè)并聯(lián)的電容CPE1和CPE2。造成兩個(gè)過(guò)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(shí)，離子和電極表面的長(zhǎng)程的靜電作用力起主導(dǎo)作用;CPE2對(duì)應(yīng)于低頻區(qū)雙電層電容

4、，此時(shí)，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(dǎo)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(gè)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(yáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在相同條件下，陰離子相同、陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)和半徑相似的兩種離子液體對(duì)應(yīng)的微分電

5、容曲線呈現(xiàn)了相反的趨勢(shì):GC/BMIM+/PF6-在負(fù)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(fù)電位大。推測(cè)造成這種相反趨勢(shì)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(fù)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(shí)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(shì)的原因