一种高电压水系电解液及其应用的制作方法

1.本发明涉及一种高电压水系电解液及其应用，属于电解液制备技术与电化学储能技术领域。


背景技术：

2.随着现代科技的快速发展，智能可穿戴器件、自供电微系统等领域开始渗透到人们的日常生活中，其需求量正在逐渐增加。自从微型超级电容器原型被报道以来，柔性平面微型超级电容器作为一种新型的微型能量储存设备可以不间断地为微电子设备供电，并且拥有设计灵活、节省空间、功率密度高、循环寿命长和免维护等优势而成为最具潜力的微型储能器件之一，受到人们越来越多的青睐。
3.器件的能量密度与电容和电压的平方成正比，而电容的增强主要是通过调控电极材料来实现，电压的提高主要与使用的电解液有关。目前一种新型二维过渡金属层状ti3c2t
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mxene材料，由于具有高的电荷存储能力、良好的导电性、出色的柔韧性和机械性能、可调的层间距以及丰富的电化学活性位点等优点，成为一类极具发展前景的储能电极材料。而水系电解液与有机电解液相比，具有无毒无害、不可燃、高离子电导率、高安全性、低成本以及环境友好等优点。然而，在水系电解液中ti3c2t
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mxene作为柔性平面微型超级电容器电极材料时，在高的阳极电位下易于氧化，导致其工作电压窗口较窄，严重限制其能量密度的提高；同时受限于水的热力学分解电压(1.23v)，使ti3c2t
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mxene水系柔性平面微型超级电容器的稳定工作电压难以突破1v，因此增大ti3c2t
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mxene水系柔性平面微型超级电容器的工作电压成为摆在科学界面前的一道难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器用高电压水系电解液，此高电压水系电解液具有宽电压窗口和高安全性，适用于高电压、高安全的水系平面微型超级电容器。
5.一种高电压水系电解液，包括水溶剂和氯盐溶质。
6.可选地，所述高电压水系电解液，由水溶剂和氯盐溶质组成。
7.可选地，所述氯盐溶质和水溶剂的摩尔质量比不小于5mol/kg。
8.可选地，所述氯盐溶质和水溶剂的摩尔质量比为5～20mol/kg。
9.可选地，所述氯盐溶质和水溶剂的摩尔质量比的上限选自6mol/kg、8mol/kg、10mol/kg、12mol/kg、14mol/kg、16mol/kg、18mol/kg或20mol/kg；下限选自5mol/kg、6mol/kg、8mol/kg、10mol/kg、12mol/kg、14mol/kg、16mol/kg或18mol/kg。
10.氯盐溶质在水溶剂中有溶解极限，相应的其摩尔质量的上限就是达到其最大溶解度时对应的数值。
11.可选地，所述氯盐溶质选自氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锌、氯化镁中的至少一种。
12.本技术的高电压水系电解液，包括水溶剂和氯盐溶质，比现有的水系电解液具有更高的分解电压，使电极材料能够在更高的电压下工作，从而提高储能器件的能量密度。
13.可选地，高电压水系电解液还可以加入添加剂；
14.所述添加剂选自二氧化硅粉、聚乙烯醇、亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种。
15.选用添加剂，使高电压水系电解液形成凝胶，增加高电压水系电解液的稳定性，用于储能器件具有更高的安全性，便于实际应用。
16.可选地，所述添加剂的用量为溶剂质量的1％～30％。
17.优选地，所述添加剂的用量为溶剂质量的5％～20％。
18.可选地，所述添加剂的用量为溶剂质量的上限选自5％、10％、20％、30％；下限选自1％、5％、10％或20％。
19.可选地，所述高电压水系电解液的电化学稳定窗口大于2.5v。
20.根据本技术的另一方面，提供了上述所述的高电压水系电解液的制备方法，该制备方法操作简便，安全易行。
21.一种高电压水系电解液的制备方法，将氯盐溶质在水溶剂中充分溶解，即得到所述高电压水系电解液。
22.可选地，所述高电压水系电解液中还可以加入添加剂。
23.本技术中，将氯盐溶质加入水溶剂中，充分溶解即得到高电压水系电解液。再加入添加剂，即得到高电压水系凝胶电解液。
24.根据本技术的另一个方面，提供上述高电压水系电解液、上述制备方法制备的高电压水系电解液在水系平面微型超级电容器中的应用。
25.根据本技术的又一个方面，提供上述高电压水系电解液、上述制备方法制备的高电压水系电解液在ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器中的应用。
26.作为一种具体的实施方式，通过真空抽滤法利用掩模板将ti3c2t
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mxene抽滤到滤膜上，然后转移到聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)上，得到柔性的ti3c2t
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mxene微电极，再涂覆所述高电压水系电解液，组装成ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器。
27.本技术能产生的有益效果包括：
28.本技术所提供的高电压水系电解液具有宽电压窗口和高安全性，且制备方法极其简单，适用于高电压、高安全的水系平面微型超级电容器。在水系柔性平面微型超级电容器的应用中，采用本技术的高电压水系电解液，提高了水系电解液的分解电压并拓宽了ti3c2t
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mxene电极材料的工作电压窗口，进而提高了水系柔性平面微型超级电容器的电化学性能和应用范围，为水系柔性平面微型超级电容器的推广运用奠定了基础。
附图说明
29.图1为本发明实施例1、实施例3和实施例4中的高电压水系电解液的线性扫描伏安曲线图。
30.图2为本发明实施例1和实施例8中高电压水系电解液的线性扫描伏安曲线图。
31.图3为本发明对比例1中水系电解液的线性扫描伏安曲线图。
32.图4为本发明实施例5、实施例6和实施例7中的高电压水系电解液应用在ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器中的电化学循环伏安曲线图。
33.图5为本发明实施例9中的样品9#应用在ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器中的电化学循环伏安曲线图。
34.图6为本发明对比例2中的硫酸水系凝胶电解液应用在ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器中的电化学循环伏安曲线图。
具体实施方式
35.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
36.如无特别说明，本技术的实施例中的原料均通过商业途径购买。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
37.实施例中，添加剂的加入使高电压水系电解液形成凝胶，所得的高电压水系电解液称为高电压水系凝胶电解液。
38.本技术的实施例中分析方法如下：
39.电导率测试分析采用梅特勒-托利多s230-k电导率仪。
40.线性扫描伏安曲线测试和电化学循环伏安曲线测试均采用上海辰华电化学工作站。
41.实施例1
42.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化锂。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.85克氯化锂，即20mol/kg，称取氯化锂溶解于水中磁力搅拌使其充分溶解，即获得本例的高电压水系电解液，记为样品1#。
43.实施例2
44.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化锂。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.425克氯化锂，即10mol/kg，称取氯化锂溶解于水中磁力搅拌使其充分溶解，即获得本例的高电压水系电解液，记为样品2#。
45.实施例3
46.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化钠。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.35g氯化钠，即6mol/kg，称取氯化钠溶解于水中，即获得本例的高电压水系电解液，记为样品3#。
47.实施例4
48.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化钾。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.37g氯化钾，即5mol/kg，称取氯化钾溶解于水中，即获得本例的高电压水系电解液，记为样品4#。
49.实施例5
50.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化锂，添加剂为二氧化硅粉。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.85克氯化锂，即20mol/kg，称取氯化锂溶解于水中，然后加入二氧化硅粉，用量为溶剂质量的5％，即获得本例的高电压水系凝胶电解液，记为样品5#。
51.实施例6
52.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化钠，添加剂为二氧化硅
粉。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.35g氯化钠，即6mol/kg，称取氯化钠溶解于水中，然后加入二氧化硅粉，用量为溶剂质量的10％，即获得本例的高电压水系凝胶电解液，记为样品6#。
53.实施例7
54.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化钾，添加剂为二氧化硅粉。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.37g氯化钾，即5mol/kg，称取氯化钾溶解于水中，然后加入二氧化硅粉，用量为溶剂质量的10％，即获得本例的高电压水系凝胶电解液，记为样品7#。
55.实施例8
56.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化锂。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.0425克氯化锂，即1mol/kg，称取氯化锂溶解于水中磁力搅拌使其充分溶解，即获得本例的高电压水系电解液，记为样品8#。
57.实施例9
58.本例的高电压水系电解液具体组成：溶剂为水，溶质为氯化锂。其制备方法如下：按照成分配比为每克水中加入0.0425克氯化锂，即1mol/kg，称取氯化锂溶解于水中磁力搅拌使其充分溶解，然后加入二氧化硅粉，用量为溶剂质量的20％，即获得本例的高电压水系凝胶电解液，记为样品9#。
59.对比例1
60.本例的电解液具体组成：溶剂为水，溶质为硫酸。其制备方法如下：量取分析纯硫酸5.4毫升，与水配制成100毫升溶液即得1mol/l硫酸溶液，即获得本例的水系电解液，记为d1#。
61.对比例2
62.本例的电解液具体组成：溶剂为水，溶质为硫酸。其制备方法如下：量取分析纯硫酸5.4毫升，与水配制成100毫升溶液即得1mol/l硫酸溶液，然后加入聚乙烯醇，用量为溶剂质量的10％，即获得本例的水系凝胶电解液，记为d2#。
63.实施例10
64.对上述实施例制备的样品进行离子电导率测试。
65.样品1#的离子电导率约为71ms/cm，样品2#的离子电导率约为158ms/cm，样品3#的离子电导率约为229ms/cm，样品4#的离子电导率约为351ms/cm，样品5#的离子电导率约为70ms/cm，样品6#的离子电导率约为213ms/cm，样品7#的离子电导率约为325ms/cm，样品8#的离子电导率约为66ms/cm。
66.实施例11
67.对上述实施例和对比例制备的样品进行线性扫描伏安曲线测试。
68.采用三电极体系对制备的高电压水系电解液进行电化学窗口的线性扫描伏安曲线测试，以ag/agcl电极为参比电极，活性炭为对电极，钛片为工作电极。测试结果如附图1所示，图中，licl代表实施例1的高电压水系电解液，kcl代表实施例4的高电压水系电解液，nacl代表实施例3的高电压水系电解液，可以看出，测得该高电压电解液的电化学稳定窗口大于2.5v。图2为实施例1的20mol/kg的licl高电压水系电解液和实施例8的1mol/kg的licl高电压水系电解液的测试结果，可以看出，当电解液的浓度降低到1mol/kg时，从-0.5v左右
就开始发生缓慢的析氢反应，相应的电化学稳定窗口也有所下降；图3为对比例1中硫酸水系电解液的线性扫描伏安曲线图，可以看出，对比例1硫酸水系电解液的电化学稳定窗口小于2v。
69.实施例12
70.将上述实施例高电压水系电解液和对比例制备的水系电解液用于柔性平面微型超级电容器中，正极和负极均为ti3c2t
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mxene纳米片，利用掩模板将ti3c2t
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mxene抽滤到滤膜上，然后转移到聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)上，得到柔性的ti3c2t
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mxene微电极，再涂覆上高电压水系电解液组装成柔性平面微型超级电容器。在0～1.6v下进行循环伏安测试，扫描速率为10mv/s。图4为本发明实施例5(licl)、实施例6(nacl)和实施例7(kcl)中的高电压水系电解液应用在ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器中的电化学循环伏安曲线图，可以看出ti3c2t
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mxene平面微型超级电容器的工作电压能够达到1.6v；图5可以看出，licl的浓度降低到1mol/kg时候，其平面微型超级电容器的工作电压低于1.6v；图6为对比例2中的硫酸水系凝胶电解液应用在ti3c2t
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mxene柔性平面微型超级电容器在硫酸电解液中的电化学循环伏安曲线图，可以看出，平面微型超级电容器的工作电压低于0.6v。
71.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。