專利名稱：一種電解質(zhì)鹽的制備方法及該鹽的電解液和電化學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解質(zhì)鹽技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種電解質(zhì)鹽的制備方法及使用電解質(zhì)鹽的電解液和電化學(xué)元件。
背景技術(shù)：
電化學(xué)元件是一種將電化學(xué)能儲存到元件內(nèi)部的裝置，具體而言，是指將元件內(nèi)部儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部的電池、將元件內(nèi)部儲存的靜電能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部的電容器、以及染料敏化太陽能電池等。雙電層電容器(簡稱EDLCs = Electric Double Layer Capacitors)是利用電 解質(zhì)離子在電極表面上物理吸附形成“雙電層”的基本原理進(jìn)行“電能儲存”的一種“儲能”裝置。EDLCs與二次電池的不同之處在于充電和放電時(shí)均不伴隨化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，具有能“急速充電”和“瞬時(shí)大功率放電”的基本特點(diǎn)，這些特點(diǎn)，使得它在很多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮二次電池?zé)o法達(dá)到的重要作用。例如，在代替燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為機(jī)動(dòng)車動(dòng)力電源使用時(shí)，可以達(dá)到“剎車及一般行駛時(shí)充電，啟動(dòng)和加速時(shí)急速大功率放電”的特殊高性能。這不僅可以有效地回收“能量”，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能”的目的，同時(shí)，也可以是機(jī)動(dòng)車達(dá)到快啟動(dòng)、快加速的理想運(yùn)行效果，而這正是二次電池?zé)o法達(dá)到的#(# 二次電池充放電時(shí)伴有氧化還原反應(yīng)發(fā)生，由于受化學(xué)反應(yīng)速率的限制，無法實(shí)現(xiàn)急速充電和瞬時(shí)大功率放電，否則極易造成電極損壞，電解液分解等無法恢復(fù)的嚴(yán)重后果)。因此，EDLCs在開發(fā)大容量高功率電源上具有巨大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是將來用于汽車、鐵路及軌道交通車輛、輪船、飛機(jī)、航天器等的“理想輔助動(dòng)力電源”。此外，EDLCs還具有充放電時(shí)不伴隨化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，劣化小壽命長；不使用金屬化合物電極材料，無重金屬環(huán)境污染；原料成本低，電路設(shè)計(jì)簡單，造價(jià)低等特點(diǎn)，是當(dāng)前公認(rèn)的節(jié)能環(huán)保型“綠色電源”。這些特點(diǎn)使得EDLCs在與太陽光發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電配套以及“無停電電源”開發(fā)等方面可發(fā)揮巨大作用。在節(jié)能環(huán)保日益成為主題的今天，EDLCs的研究與開發(fā)越來越受到世界各國政府與企業(yè)的高度關(guān)注。在雙電層電容器的研究中，雙電層電容器的功率密度和能量密度按下式計(jì)算W = CV2/2 ；P = V2/4R ；式中W為能量密度；P為功率密度；C為電容；V為端極電壓；R為內(nèi)部電阻。從上式中可以看出，超級電容器所存儲的能量正比于端極電壓的平方，因此，提高所施加的電壓可以大幅度增加超級電容器的能量密度。然而，在高電壓條件下，電解質(zhì)溶液易分解，引起內(nèi)阻急劇增大且也容量迅速降低。因此電解質(zhì)的分解電壓一直是限制其比功率和比能量的關(guān)鍵因素之一，與水基電解液相比，有機(jī)電解液有著較高的分解電壓。而且因其無腐蝕防護(hù)問題而易于封裝，可用鋁材料作為集電體和封裝材料，顯著降低了材料成本。季銨鹽作為超級電容器的非水電解質(zhì)，可用作能量儲藏裝置的化學(xué)電池或高能量電容器的支持電解質(zhì)。迄今為止，作為季銨離子，包括脂肪族季銨離子(CN :1503778)和芳香族季銨離子(CN :1361716和CN :1524853)己被廣泛研究并應(yīng)用于超級電容器(US :5086374 JP 2004-146592)。但仍然存在離子電導(dǎo)率低、內(nèi)阻大、耐電壓性低(< 3. 0V)、成本較高等問題，因此開發(fā)工作電壓高(> 3. 0V)、離子電導(dǎo)率高和內(nèi)阻小的低成本有機(jī)電解液成為目前提高超級電容器的能量密度和功率密度，以及實(shí)現(xiàn)在能源領(lǐng)域和電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的廣泛商業(yè)化應(yīng)用的有效途徑。式(I)所示的電解質(zhì)鹽作為一類新的化合物，在專利文獻(xiàn)(CN101606211A,電解質(zhì)、使用該電解質(zhì)的電解液和電化學(xué)元件)中敘述了含有該類電解質(zhì)鹽的超級電容器有機(jī)電解液。該電解液可以滿足超級電容器的電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性的要求，長期可靠性優(yōu)良、耐電壓高(電位窗寬)，提供較高的容量，提高能量密度和功率密度。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電解質(zhì)鹽的制備方法及使用電解質(zhì)鹽的電解液和電化學(xué)元件。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種電解質(zhì)鹽的制備方法，電解質(zhì)鹽的結(jié)構(gòu)式為式I，
權(quán)利要求
1.一種電解質(zhì)鹽的制備方法，其結(jié)構(gòu)式為式I，
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述季銨化反應(yīng)所需的季按化試劑為齒代燒、碳酸燒基酷、硫酸燒基酷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述季銨化反應(yīng)所需的季銨化試劑為碳酸烷基酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述季銨化反應(yīng)所需的季銨化試劑為碳酸二甲酯。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述原料多環(huán)式叔胺是式(III)所示的環(huán)狀胺的醇類化合物在固體酸催化劑存在、反應(yīng)溫度在所述環(huán)狀胺的醇類化合物的汽化溫度以上的條件下，氣相脫水所制得；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述固體酸催化劑為Al2O3、分子篩中的一種或兩種組成，或由改性劑改性的Al2O3、分子篩中的一種或兩種組成； 所述Al2O3選自Y-Al2O3 ;所述分子篩選自堿離子型、銨離子型、質(zhì)子型分子篩中的一種或一種以上；所述改性劑由元素周期表中I 17族元素的含氧酸、氧化物、鹵化物、硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、硫化物、硅酸鹽、鈦酸鹽、硼酸鹽、碳酸鹽、草酸鹽中的一種、兩種或兩種以上組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述反應(yīng)溫度為300 500。。。
8.根據(jù)權(quán)利要求I 7任一項(xiàng)所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述環(huán)狀胺的醇類化合物為式(IV)所示的環(huán)狀胺的醇類化合物，或式(V)所示的環(huán)狀胺的醇類化合物
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述環(huán)狀胺的醇類化合物供給的空間速度通常為O. I 10g/mL催化劑· h。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解質(zhì)鹽的制備方法，其特征在于所述反應(yīng)在惰性氣體存在下進(jìn)行或在減壓下進(jìn)行；在使用惰性氣體的情況下，環(huán)狀胺的醇類化合物與惰性氣體的摩爾比為I : I 10 ;在減壓的情況下，體系壓力應(yīng)小于環(huán)狀胺的醇類化合物在反應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓。
11.一種電解液，其特征在于所述的電解液由電解質(zhì)鹽和非水溶劑組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電解液，其特征在于所述非水溶劑為選自碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、環(huán)丁砜、3-甲基環(huán)丁砜、乙腈、Y-丁內(nèi)酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、二甲苯、氯苯、I，2- 二氯苯、I, 3- 二氯苯、1,4- 二氯苯中的至少一種。
13.—種電化學(xué)元件，其特征在于所述的電化學(xué)元件使用權(quán)利要求11中的的電解液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電解質(zhì)鹽的制備方法及使用該電解質(zhì)鹽的電解液和電化學(xué)元件，以多環(huán)式叔胺為原料，經(jīng)季銨化反應(yīng)制得電解質(zhì)鹽；電解液由電解質(zhì)鹽和非水溶劑組成；電化學(xué)元件使用上述的電解液。本發(fā)明制備的電解質(zhì)鹽的超級電容器有機(jī)電解液，可以滿足超級電容器的電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性的要求；從一系列的多環(huán)式叔胺的出發(fā)，經(jīng)過簡單的季銨化反應(yīng)，制備出一系列高純度的電解質(zhì)鹽，工藝成本低，目標(biāo)產(chǎn)物收率高；設(shè)備投資少，操作容易，產(chǎn)率高、后處理簡單、適合規(guī)模化生產(chǎn)。
文檔編號H01G9/155GK102789903SQ20121000290
公開日2012年11月21日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者關(guān)士友, 張慧辰, 林芳芹, 王麗俠, 趙震 申請人:華東理工大學(xué)