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基本信息

項(xiàng)目名稱：
新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池是結(jié)合超級(jí)電容器和鋰離子電池技術(shù)原理研制的一種新型儲(chǔ)能器件，具有高容量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)命、高工作電壓等優(yōu)異的綜合性能，是日益興起的電動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的極佳的動(dòng)力電池。相對(duì)于燃料電池、鈉-硫電池等其他新型電池，新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池基于成熟的傳統(tǒng)電池技術(shù),在快速推廣和規(guī)模化生產(chǎn)方面更具優(yōu)勢(shì)。
詳細(xì)介紹：
隨著近年來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展，特別是鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，電動(dòng)汽車、家用電氣、航天航空設(shè)施等大型電子產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)展迅速，但這些大型電子產(chǎn)品往往需要較大的瞬間電流，而傳統(tǒng)電池由于功率密度過(guò)低而競(jìng)爭(zhēng)力有限。同時(shí)，超級(jí)電容器雖然充放電速率快，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但其容量密度低、自放電嚴(yán)重、工作電壓在 1V 以下等問(wèn)題，大大限制了其可應(yīng)用性。 所以尋求同時(shí)具有高比容量和高比功率、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能且廉價(jià)、清潔的新能源裝置，是能源領(lǐng)域的最重要的課題之一。 于是我們自創(chuàng)超級(jí)電容器和鋰離子電池結(jié)合技術(shù)，集合二者優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)二者不足，設(shè)計(jì)研制了具有高容量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高工作電壓等優(yōu)異綜合性能的 Li4Ti5O12/AC混合電容器電池。 下面是具體闡述： 1、將超級(jí)電容器和鋰離子電池的技術(shù)原理相結(jié)合，使新型混合電容器電池在擁有較高的能量密度的同時(shí)也具有較高的功率密度和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。 我們深入研究了電池與電容器的儲(chǔ)能機(jī)理，總結(jié)出： 1）電池：通過(guò)法拉第電化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能，反應(yīng)發(fā)生在電極內(nèi)部，改變了電極氧化程度、化學(xué)組成和晶格參數(shù)。由于反應(yīng)在電極內(nèi)部進(jìn)行，因此電池能量密度大。但電池中活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此循環(huán)壽命較短。同時(shí)，由于電化學(xué)反應(yīng)速度較慢、 電阻較大，電池的功率密度較低。 2）超級(jí)電容器：通過(guò)在電極表面儲(chǔ)存電荷，形成的雙層電容達(dá)到儲(chǔ)能效果，因而其功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)。但是電荷只能儲(chǔ)存在電極表面，因此雙電層電容器工作電壓低、 容量密度低。 于是我們創(chuàng)造性地使用一個(gè)電極使用鋰離子電池電極材料，另一個(gè)電極使用超級(jí)電容器電極材料，結(jié)合了這兩種儲(chǔ)能機(jī)理，成功實(shí)現(xiàn)了兩種儲(chǔ)能裝置的性能互補(bǔ)，得到了高容量密度、高功率密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)良性能。 2、選擇最理想的電極材料，以保證混合電容器的優(yōu)良綜合性能得以實(shí)現(xiàn)。 混合電容器電池的性能極大程度上決定于電極材料的性能，于是選擇合適的電極材料至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論和實(shí)驗(yàn)論證，我們確定了選擇尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5012作為負(fù)極材料，理由是： 1）Li4Ti5O12的理論比容量高,為175mAh/g,遠(yuǎn)高于活性炭的(40mAh/g)； 2）Li4Ti5O12具有零應(yīng)變的性質(zhì)，在充放電過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)變化，循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電效率接近100％； 3）嵌鋰電位高(1.55V vs.Li/Li+ ) 而不易引起金屬鋰析出, 并且其平臺(tái)容量超過(guò)總?cè)萘康?5％，充電結(jié)束時(shí)電位迅速上升，此現(xiàn)象可用于指示終止充電，避免了過(guò)充電； 4）Li4Ti5O12中鋰離子擴(kuò)散系數(shù)約為石墨中的10倍，具有大電流充放電優(yōu)勢(shì)。 正極材料我們選用電容性極好，制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的活性炭，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)活性炭比電容隨比表面積增大的幅度并不一致，有些活性炭雖然比表面積不大，但卻顯示出較大的比容量，說(shuō)明活性炭的比電容不僅僅是比表面積的函數(shù)，而且還受其它因素的影響。 選取實(shí)驗(yàn)性能最佳的比表面積為2000m2/g的活性炭為正極，在水系和非水電解質(zhì)中能獲得280F/g和120F/g的比容量。Li4Ti5O12/AC混合電容器電解液為有機(jī)體系，故采用非水系活性炭粉末制備正極。 3、采用獨(dú)創(chuàng)技術(shù)合成容量密度高、嵌鋰電位高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的Li4Ti5O12作為嵌鋰負(fù)極，極大程度地提高了混合電容器電池的容量密度、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。 我們采用自創(chuàng)的一步水熱離子交換法制備微納米級(jí)Li4Ti5O12微球作為活性物質(zhì)，并加以性能改進(jìn)，充放電時(shí)縮短了電子和Li+擴(kuò)散路徑，增加了電極與電解液接觸面積，提高了活性物質(zhì)的利用率，從而有效地提高了電極的比容量。 1）制備合適形貌的Li4Ti5O12 形貌是影響Li4Ti5O12電化學(xué)性能的一個(gè)重要因素。合適的顆粒形貌有利于電極材料與電解液的浸潤(rùn)，合適的顆粒尺寸能夠減小Li+在Li4Ti5O12晶體中的擴(kuò)散路徑。因此我們致力于改善Li4Ti5O12的合成方法，獨(dú)創(chuàng)了一步水熱離子交換法合成出了制備球形的尺寸均一的納米級(jí)Li4Ti5O12微球，極大程度地提高了其大電流放電特性。 2）提高Li4Ti5O12材料的電導(dǎo)率　 Li4Ti5O12的導(dǎo)電率低，大電流充放電時(shí)，富集的電子將通過(guò)極化效應(yīng)反過(guò)來(lái)限制鋰離子的嵌入和脫出，從而使得材料電化學(xué)性能惡化。我們通過(guò)在Li4Ti5O12材料表面包覆導(dǎo)電劑，構(gòu)造導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提高了電子電導(dǎo)率，繼而極大程度上改善了大電流放電特性。 4、優(yōu)化正負(fù)極材料性能和容量匹配，使該混合電容器電池獲得其最佳綜合性能； 通過(guò)我們自主研發(fā)獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)方法，成功將一個(gè)電化學(xué)電極與一個(gè)電容型電極結(jié)合在同一體系中后，我們進(jìn)一步用重復(fù)試驗(yàn)反復(fù)對(duì)照，優(yōu)化正負(fù)極材料性能和容量匹配，使該混合電容器電池獲得其最佳綜合性能。

作品圖片

  • 新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的 結(jié)合超級(jí)電容器和鋰離子電池技術(shù)原理，將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，研制出的一種新型儲(chǔ)能器件，為日益興起的電動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供的極佳的動(dòng)力電池。 創(chuàng)新點(diǎn) 1、超級(jí)電容器和鋰離子電池結(jié)合技術(shù)，采用鋰離子電池材料與超級(jí)電容材料構(gòu)造混合電容器電池； 2、尖晶石型鈦酸鋰的微納多級(jí)球狀粉末的制備技術(shù)，即一步水熱離子交換法； 3、包覆高導(dǎo)電材料的鈦酸鋰粉末的直接制備技術(shù)。 作品技術(shù)關(guān)鍵 1、將鋰離子電池的離子嵌入-脫嵌機(jī)制與超級(jí)電容器的雙電層機(jī)制協(xié)調(diào)組合于一個(gè)儲(chǔ)能器件中，正極采用多孔活性炭保持純電容特性，保證電池的高功率和良好的脈沖充放電性能；負(fù)極采用多級(jí)微球形貌的Li4Ti5O12，用同軸碳納米管增加材料與電解液接觸面積的基礎(chǔ)上，大大改善了Li4Ti5O12的導(dǎo)電性，組成非對(duì)稱非水體系的混合電容器電池。 2、自創(chuàng)一步水熱法，制備微納米級(jí)Li4Ti5O12微球作為活性物質(zhì)，并加以性能改進(jìn)，充放電時(shí)縮短了電子和Li+擴(kuò)散路徑，增加了電極與電解液接觸面積，提高了活性物質(zhì)的利用率，從而提高了電極的比容量。 3、負(fù)極極板的制作，通過(guò)活性物質(zhì)與活性炭材料的混合，使其具有較好的電子和Li+導(dǎo)通能力，結(jié)合活性物質(zhì)的高比表面積的特點(diǎn)，使電池獲得更優(yōu)良的倍率特性。 4、自主設(shè)計(jì)進(jìn)行正負(fù)極材料性能和容量匹配實(shí)驗(yàn)，對(duì)非對(duì)稱電化學(xué)電容器的贗電容性負(fù)極、電容性正極以及非水系電解液進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與匹配，使該混合電容器電池獲得其最佳綜合性能。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1、將傳統(tǒng)的鋰離子電池與超級(jí)電容地融合在一個(gè)電池系統(tǒng)里，利用電化學(xué)效應(yīng)和電容的物理效應(yīng)協(xié)同起來(lái)作為儲(chǔ)能供能的手段，并優(yōu)化正負(fù)極的匹配，使新型電池同時(shí)具有較高的能量密度和較大的工作電流，擴(kuò)展了電池的應(yīng)用范圍，可以適應(yīng)一些動(dòng)力電池或電能轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存裝置的特殊需求。 2、對(duì)現(xiàn)有鋰離子電池的電極活性物質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，與電解液有充分的接觸表面，使電極活性物質(zhì)更充分地被利用，同時(shí)提高電極的電導(dǎo)率，從而使電池?fù)碛懈鼉?yōu)良的充放電性能。 目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要有鎳氫電池與鋰離子電池等，其最大充放電倍率在10C與20C之間。新型鋰離子混合電容器電池最大放電倍率可達(dá)40-60C，高倍率連續(xù)放電循環(huán)容量保持在80%以上，更適應(yīng)純電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加速對(duì)電池功率和容量的要求。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

校大學(xué)生科技節(jié)暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽校內(nèi)選拔賽中獲得特等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開(kāi)發(fā)

作品可展示的形式

產(chǎn)品實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片錄像、樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池具有高容量密度、高功率密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、工作電壓高等性能特點(diǎn)。 除了在電動(dòng)車領(lǐng)域應(yīng)用外，還可應(yīng)用于記憶性存儲(chǔ)器、微型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)主板和鐘表等的備用電源，電動(dòng)玩具車等的主電源，內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)電源及太陽(yáng)能電池的輔助電源等，作為高脈沖電流發(fā)生器電源，在航空航天、國(guó)防、通信等領(lǐng)域也將發(fā)揮重要作用。 具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、安全效益和環(huán)境效益，推廣前景廣闊。 目前已有的電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車一般采用二次電池、超級(jí)電容器和控制系統(tǒng)聯(lián)合，以滿足其使用要求。新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池集電池電容器的優(yōu)點(diǎn)于一身，可省去控制系統(tǒng)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

1、國(guó)內(nèi)方面，上海交通大學(xué)的唐宇峰等研究者將高倍率尖晶石型Li4Ti5O12作為鋰離子電池負(fù)極材料的合成及其電化學(xué)性能的研究，但此類研究都是單純地研究Li4Ti5O12作為電極材料的制取與電化學(xué)性能，未涉及采用Li4Ti5O12作為電化學(xué)電容器電極材料的研究。本項(xiàng)目采用高倍率尖晶石型Li4Ti5O12作為電化學(xué)電容器的負(fù)極，研究了如何使Li4Ti5O12的優(yōu)良電化學(xué)性能在電化學(xué)電容器中得到充分發(fā)揮。 2、另外國(guó)內(nèi)已有采用鋰離子電池材料的非水體系電化學(xué)混合電容器，但該混合電容器正極采用鋰離子嵌入化合物材料 LiMn2-xMxO4材料,負(fù)極采用高比表面積的活性炭等,組成不對(duì)稱的電化學(xué)電容器。LiMn2-xMxO4材料具有高嵌入電位，但比能量不及Li4Ti5O12。而本項(xiàng)目正負(fù)極體系與其相反，采用尖晶石型Li4Ti5O12作為負(fù)極，活性炭作為正極，以鋰離子電池有機(jī)溶液作為電化學(xué)電容器電解液的研究在國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表的中文文獻(xiàn)中未見(jiàn)相同報(bào)道。 3、國(guó)外文獻(xiàn)表明已有學(xué)者采用導(dǎo)電炭材料（如碳纖維、納米尺度的石墨炭黑等）與尖晶石納米晶鈦酸鋰制備電極，但其應(yīng)用體系都是對(duì)稱性電化學(xué)電容器。 本項(xiàng)目作品系一個(gè)非對(duì)稱電化學(xué)電容器，其中正極仍保持純電容特性，負(fù)極采用的是電導(dǎo)性炭材料和納米晶鈦酸鋰。國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)應(yīng)用炭材料與多級(jí)球狀鈦酸鋰制備非對(duì)稱混合電容器的報(bào)道。
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