本發(fā)明屬于電化學儲能領域，涉及一種甜菜堿電解液添加劑拓寬銨離子超級電容器工作電壓技術及應用，具體涉及一種用于水系銨離子超級電容器。

背景技術：

1、鋰離子電池是大家所廣泛認識和使用的一種儲能器件，是目前商業(yè)化電池中的主體，具有較高的能量密度，較長的循環(huán)壽命以及低自放電率等優(yōu)勢。但是，鋰離子電池在高溫環(huán)境下，內部的化學反應速度會得到加快從而導致電池過熱，有引火爆炸的隱患，除此之外，鋰電池較為高效的正極材料需要的金屬資源較為稀缺，從而導致成本的增加。因此，急需一種廉價，安全，高效的儲能系統(tǒng)。

2、水系超級電容器以水作為電解質，不可燃、不易爆，化學性質穩(wěn)定，即使在高溫、短路、針刺等極端條件下，也不會像鋰離子電池那樣出現(xiàn)熱失控、起火、爆炸等危險情況，能為使用環(huán)境提供更高的安全保障。相比于金屬離子載體li+、na+、k+等，非金屬電荷載體nh4+具有更低的摩爾質量(18g?mol-1)、較小的水合半徑、較低的成本和豐富的資源，因此開發(fā)銨離子超級電容器具有較大的前景。但是，水系銨離子超級電容器在電壓超過1.23v時，電解液中的水會發(fā)生分解反應，釋放出氫氣或氧氣，這種析氫析氧反應會導致水系銨離子超級電容器的工作電壓通常較低，嚴重影響最終儲能性能，導致器件鼓包甚至發(fā)生爆炸。由此可見，解決水系電解液的析氫析氧問題成為提升水系超級電容器效率無法跨過的一道難關。

3、現(xiàn)有技術中有報道引入添加劑的辦法來改變電解液中的水結構，抑制水的分解。目前已有研究報道(adv.mater.2020,32,2000074和angew.chem.int.ed.2022,61,e202213757)通過在電解液中加入蔗糖分子，蔗糖-水氫鍵破壞了水-水氫鍵網(wǎng)絡的連續(xù)性，從而顯著抑制了水的分解和主物質的溶解問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種銨離子電解液中添加甜菜堿拓寬銨離子超級電容器工作電壓。采用下述技術方案：在電解液中添加甜菜堿用于改善水系電解液析氫析氧的問題，進而拓寬水系銨離子超級電容器電壓工作電壓，最后提高電化學儲能性能。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，本發(fā)明提供了一種銨離子電解液，包括銨離子、甜菜堿和水。本發(fā)明所述銨離子電解液可用于拓寬水系銨離子超級電容器工作電壓。

3、優(yōu)選的，所述銨離子電解液中100ml?1mol?l-1nh4ac水溶液中甜菜堿添加量為0.1g至飽和濃度含量，優(yōu)選為0.6?-1.3g；例如為0.6g、0.9g或1.3g。

4、根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明提供了一種水系對稱型銨離子超級電容器，所述水系對稱型銨離子超級電容器以兩個質量相同的膨脹石墨電極作為正負電極，第一方面所述的銨離子電解液作為水系對稱型銨離子超級電容器的電解液，所述電解液組封裝在電池殼中。

5、根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，本發(fā)明提供了上述第二個方面對稱型銨離子超級電容器的制備方法，包括如下步驟：

6、a,制備膨脹石墨，作為水系銨離子超級電容器電極材料；

7、b,將含銨電解液和甜菜堿按不同比例混合均勻，得到不同混合液；

8、c,膨脹石墨作為工作電極，含有甜菜堿的混合液作為水系銨離子超級電容器電解液進行電化學測試；

9、d,組裝對稱型銨離子超級電容器，測試其電化學性能。

10、優(yōu)選的，步驟a所述膨脹石墨的制備是將hummers法制備的氧化石墨烯通過高溫膨脹完成。

11、優(yōu)選的，步驟b所述含銨電解液為濃度1mol?l-1nh4ac水溶液。

12、優(yōu)選的，步驟b所述含銨電解液和甜菜堿按不同比例混合均勻，是在100ml?1moll-1nh4ac水溶液中添加不同量甜菜堿，甜菜堿添加量為0.6g，0.9g和1.3g。

13、優(yōu)選的，步驟c所述電化學測試采用三電極測試，膨脹石墨作為正極，鉑絲電極作為對電極，飽和甘汞池電極為參比電極。電解液為10ml步驟b中所配置得到的1mol?l-1nh4ac和甜菜堿混合電解液。

14、優(yōu)選的，步驟c所述電化學測試內容為是測試膨脹石墨電極在上述所有混合電解液中的線性掃描lsv曲線和循環(huán)伏安cv曲線。

15、優(yōu)選的，步驟d所述對稱型銨離子超級電容器是將兩個質量相同的膨脹石墨電極作為正負電極、甜菜堿添加量0.9g混合液作為電解液組封裝在cr2032電池殼中。電化學測試內容為不同掃描速率時的cv曲線和不同電流密度時的恒電流充放電曲線。

16、本發(fā)明提供了上述技術方案所述制備方法得到含有甜菜堿添加劑的銨離子電解液，將該電解液用于膨脹石墨作為電極材料的水系銨離子超級電容器的應用，實驗方法操作簡單、高效，制備得到的產(chǎn)物穩(wěn)定，并且制備得到甜菜堿銨離子電解液能夠明顯拓寬膨脹石墨水系銨離子超級電容器的工作電壓，此技術為解決水系電解液析氫析氧問題提供新思路，為后續(xù)水系儲能的研究奠定了的基礎。

17、在本發(fā)明的某些實施例結果表明，膨脹石墨電極在添加甜菜堿后的nh4ac電解液中的析氫析氧問題得到了明顯的改善，尤其是在1m?nh4ac-0.9g甜菜堿/h2o電解液，膨脹石墨在三電極體系中在-0.9v-0.9v電壓區(qū)間內穩(wěn)定工作，沒有明顯析氫析氧信號，組裝的對稱型銨離子超級電容器工作電壓可以拓寬至2v。

技術特征：

1.一種銨離子電解液，包括銨離子、甜菜堿和水。

2.根據(jù)權利要求1所述的銨離子電解液，所述銨離子電解液中100ml1moll-1nh4ac水溶液中甜菜堿添加量為0.1g至飽和濃度含量，優(yōu)選為0.6-1.3g；例如為0.6g、0.9g或1.3g。

3.一種水系對稱型銨離子超級電容器，所述水系對稱型銨離子超級電容器以兩個質量相同的膨脹石墨電極作為正負電極，權利要求1所述的銨離子電解液作為水系對稱型銨離子超級電容器電解液，所述電解液封裝在電池殼中。

4.一種權利要求3所述的水系對稱型銨離子超級電容器的制備方法，包括如下步驟：

5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于；步驟a所述膨脹石墨的制備是將hummers法制備的氧化石墨烯通過高溫膨脹完成。

6.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟b所述含銨電解液為濃度1mol?l-1nh4ac水溶液。

7.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟b所述含銨電解液和甜菜堿按不同比例混合均勻，是在100ml?1mol?l-1nh4ac水溶液中添加不同量甜菜堿，甜菜堿添加量為0.6g，0.9g和1.3g。

8.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟c所述電化學測試采用三電極測試，膨脹石墨作為正極，鉑絲電極作為對電極，飽和甘汞池電極為參比電極；電解液為10ml步驟b中所配置得到的1mol?l-1nh4ac和甜菜堿混合電解液。

9.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟c所述電化學測試內容為是測試膨脹石墨電極在上述所有混合電解液中的線性掃描lsv曲線和循環(huán)伏安cv曲線。

10.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟d所述對稱型銨離子超級電容器是將兩個質量相同的膨脹石墨電極、甜菜堿添加量0.9g混合液分別作為正負電極和電解液組封裝在cr2032電池殼中；電化學測試內容為不同掃描速率時的cv曲線和不同電流密度時的恒電流充放電曲線。

技術總結
本發(fā)明提供一種甜菜堿電解液添加劑拓寬銨離子超級電容器工作電壓技術及應用，實驗方法操作簡單、高效，穩(wěn)定，并且制備得到的NH<subgt;4</subgt;AC與甜菜堿的混合液作為水系銨離子超級電容器電解液，析氫析氧問題得到了改善，穩(wěn)定電壓窗口得到了拓寬，此技術為解決水系電解液析氫析氧問題提供新思路，為后續(xù)水系儲能的研究奠定了的基礎。

技術研發(fā)人員：周錦華,王一
受保護的技術使用者：常熟理工學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15