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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
一種新型大功率綠色非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本項(xiàng)目基于我們實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的高容量性能的正極材料（Co(OH)2）、負(fù)極材料活性炭和導(dǎo)電性能優(yōu)良的固體電解質(zhì),利用成熟的電極制備過(guò)程和壓片工藝，以泡沫鎳為集電器和電極，研制出一種低成本、輕質(zhì)且高效的能源存儲(chǔ)設(shè)備—新型超級(jí)電容器。該電容器在快速充電后，可使LED燈照明數(shù)十分鐘，使玩具汽車(chē)爬比較陡峭的斜坡，充電的速度明顯比普通電池快得多，且具有使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定行好、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。
詳細(xì)介紹：
目前，研究超級(jí)電容器的熱點(diǎn)只要集中在電極材料的性能方面，應(yīng)用方面也主要是以碳材料為電極材料的對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器，這種電容器的不論是在能量密度方面和功率密度方面都很受限制。我們實(shí)驗(yàn)室一直致力于氧化物電極材料的開(kāi)發(fā)和利用，主要有氫氧化鎳、氫氧化鈷、氧化鎳、氧化鈷等金屬氧化物。為了克服對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器的一些缺點(diǎn)，我們嘗試了利用金屬氧化物為超級(jí)電容器的正極材料，活性炭為負(fù)極材料組裝了一個(gè)非對(duì)稱(chēng)大功率的超級(jí)電容器，性能優(yōu)異，可以嘗試用于實(shí)際應(yīng)用。所以本項(xiàng)目提出以本實(shí)驗(yàn)室制備的納米金屬氧化物（Co(OH)2）為正極，活性炭為負(fù)極，固體電解質(zhì)代替液體KOH電解質(zhì)，組裝成混合電容器。希望能夠利用活性炭較好的導(dǎo)電性，促使納米氧化物可以在較寬的電位窗口內(nèi)順利地進(jìn)行法拉第反應(yīng)，維持其優(yōu)異的電容性能，改善電化學(xué)電容器在功率特性和能量特性方面的不足。采用固體電解質(zhì)，有利于電容器的封裝，延長(zhǎng)電容器的使用壽命，從而研制出功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)保的新型超級(jí)電容器。該電容器作為儲(chǔ)能裝置，高效儲(chǔ)能、綠色環(huán)保、節(jié)能耐用。快速充電后2分鐘后，可使LED燈照明35分鐘，使電動(dòng)汽車(chē)可以爬比較陡峭的斜坡（40度），充放電的速度比普通電池快得多，使用壽命長(zhǎng)，綠色環(huán)保。 超級(jí)電容器的最大特點(diǎn)就是能夠在瞬間提供大的功率，而電池卻做不到這一點(diǎn)，為此，本項(xiàng)目做了一組比較實(shí)驗(yàn)——爬坡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在純的電池系統(tǒng)，爬比較陡峭的坡時(shí)，一般爬不上去，而對(duì)于外加了超級(jí)電容器的混合系統(tǒng)而言，爬坡性能比較良好，這充分證明了超級(jí)電容器的大功率的特性。為以后非對(duì)稱(chēng)電容器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作品圖片

  • 一種新型大功率綠色非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器
  • 一種新型大功率綠色非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器
  • 一種新型大功率綠色非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器
  • 一種新型大功率綠色非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器

作品專(zhuān)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)

本課題基于本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期對(duì)于超級(jí)電容器電極材料的研究經(jīng)驗(yàn)，采用本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)制備的電極材料和本實(shí)驗(yàn)室最新開(kāi)發(fā)的固體電解質(zhì)等為原料，正極材料采用氫氧化鈷，負(fù)極材料為活性炭，泡沫鎳為集流體，以現(xiàn)有的技術(shù)組裝了一個(gè)可以應(yīng)用于實(shí)際的新型新型綠色大功率非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器。 1.基本思路 本設(shè)計(jì)中采用“設(shè)想→電極材料、電解液、隔膜的選擇和制備→外殼設(shè)計(jì)→組裝→實(shí)驗(yàn)測(cè)試→應(yīng)用”的思路和“設(shè)計(jì)→組裝→檢測(cè)→結(jié)論”的技術(shù)路線(xiàn)。 2.創(chuàng)新點(diǎn) 本課題創(chuàng)新點(diǎn)在于：采用實(shí)驗(yàn)室自己開(kāi)發(fā)制備的固體電解質(zhì)和多孔氫氧化鎳為原材料，采用非對(duì)稱(chēng)性組裝。有效解決了使用傳統(tǒng)水溶性電解質(zhì)時(shí)產(chǎn)生漏液和熱膨脹已經(jīng)多組電極片串聯(lián)時(shí)的絕緣等諸多問(wèn)題。 3.技術(shù)指標(biāo) 本超級(jí)電容器設(shè)計(jì)和組裝中的關(guān)鍵技術(shù)是在超級(jí)電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上同時(shí)采用電極組的串聯(lián)和并聯(lián)并存的方式，可根據(jù)實(shí)際需要電壓和功率組裝出相應(yīng)的超級(jí)電容器，具有很大的靈活性和適應(yīng)性。它的技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)： （1）陰極電極材料的電容量和電壓 電容量：1000-1500 F/g； 工作電壓：0.6 V （2）電容器單體元件組裝 電容量：100-200 F/g； 比能量：10-20Wh/kg； 比功率：500 W/kg；循環(huán)次數(shù)：≥10000；工作電壓：1~1.2V （3）多單元電容器的組裝 電容量：10-20 F/g； 比能量：100-200Wh/kg； 比功率：500 W/kg；循環(huán)次數(shù)：≥10000；工作電壓：10V

科學(xué)性、先進(jìn)性

超大容量電容器( Supercapacitor) 又稱(chēng)電化學(xué)電容器、超級(jí)電容器等。由于它具有傳統(tǒng)電池?zé)o法比擬的高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、無(wú)污染等特點(diǎn)，有希望成為本世紀(jì)新型的綠色電源。 本項(xiàng)目基于本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源，利用成熟的電極制備過(guò)程和壓片工藝，將泡沫鎳作集流體，納米金屬氧化物為正極，活性炭為負(fù)極，研制出了一種低成本、輕質(zhì)且高效的能源存儲(chǔ)設(shè)備：微型超級(jí)電容器。該電容器作為儲(chǔ)能裝置，高效儲(chǔ)能、綠色環(huán)保、節(jié)能耐用?？焖俪潆姾?分鐘后，可使LED燈照明35分鐘，使電動(dòng)汽車(chē)可以爬比較陡峭的斜坡（40度），充放電的速度比普通電池快得多，使用壽命長(zhǎng)。 超級(jí)電容器的最大特點(diǎn)就是能夠在瞬間提供大的功率，而電池卻做不到這一點(diǎn)，為此，本項(xiàng)目做了一組比較實(shí)驗(yàn)——爬坡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在純的電池系統(tǒng)，爬比較陡峭的坡時(shí)，一般爬不上去，而對(duì)于外加了超級(jí)電容器的混合系統(tǒng)而言，爬坡性能比較良好，這充分證明了超級(jí)電容器的大功率的特性。為以后非對(duì)稱(chēng)電容器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

作品于2010年獲得蘭州理工大學(xué)立項(xiàng)基金。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)入股的方式

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、圖片、視頻

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)

本項(xiàng)目以本實(shí)驗(yàn)室的資源和長(zhǎng)期的工作為基礎(chǔ)，利用簡(jiǎn)單易行的方法研制出了一種低成本、輕質(zhì)且高效的能源存儲(chǔ)設(shè)備：微型超級(jí)電容器。該電容器的最大優(yōu)點(diǎn)就是具有快充慢放的性能，充電幾分鐘，就可以實(shí)現(xiàn)放電幾十分鐘的優(yōu)異性能，也改善電化學(xué)電容器在功率特性和能量特性方面的不足。在此基礎(chǔ)之上，我們可以制備出比較大型的高容量的超級(jí)電容器，有望應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)等大型設(shè)備，不但降低了成本，解決了目前電動(dòng)車(chē)因?yàn)閮r(jià)格高的尷尬局面，也使得我們的環(huán)保事業(yè)更進(jìn)一步，所以，我們認(rèn)為，這種微型的超級(jí)電容器可以帶我們進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。

同類(lèi)課題研究水平概述

世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化，得益于化石能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應(yīng)用。因而它是建立在化石能源基礎(chǔ)之上的一種經(jīng)濟(jì)。若化石能源與原料鏈條的中斷，必將導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)和沖突加劇，最終葬送現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。因此，大力發(fā)展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代生化資源，不僅是出于生存的原因；而且是世界經(jīng)濟(jì)可獲得持續(xù)的發(fā)展必然。新能源材料則是指實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)中所用到的關(guān)鍵材料，是發(fā)展新能源的核心和基礎(chǔ)。 由于超級(jí)電容器具有優(yōu)異的儲(chǔ)能，一問(wèn)世便受到人們的重視，已成功地運(yùn)用到很多領(lǐng)域，并且其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，其中最為令人矚目的應(yīng)用是作為電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電源和功率單元。隨著研究熱潮的出現(xiàn)，超級(jí)電容器的市場(chǎng)也在不斷膨脹。近年來(lái)，雙電層電容器的年銷(xiāo)售額都保持在1000萬(wàn)美元以上，并且逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)，到1997年其年銷(xiāo)售額已經(jīng)超過(guò)1.3億美元。隨著其需求量的不斷增大，超級(jí)電容器的年產(chǎn)值正以20 %的速度遞增，具有相當(dāng)廣闊的市場(chǎng)前景。隨著制備技術(shù)的提高和性能的不斷改善，超級(jí)電容器以其大容量、高功率密度、大電流、多次充放電等性能，在消費(fèi)電子、通訊、醫(yī)療器械、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)將主要應(yīng)用范圍舉例如下，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容器，根據(jù)放電量、放電時(shí)間、工作電壓以及電容量，主要用作后備、替換和主電源三類(lèi)： （1）作后備電源：目前超級(jí)電容器應(yīng)用較廣的領(lǐng)域在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，主要是充當(dāng)存儲(chǔ)器、電腦、計(jì)時(shí)器等的后備電源。 （2）作替換電源：由于具有充放電次數(shù)高、壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、循環(huán)效率高以及低自放電等特點(diǎn)，故很適合如白晝—黑夜轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合應(yīng)用。 （3）作主電源：通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)超級(jí)電容器釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流放電之后，超級(jí)電容器再由低功率的電源充電。 超級(jí)電容器也可代替鋰電池應(yīng)用于智能水表，從而保障了水閥關(guān)斷的可靠性，在外接電池電量不足時(shí),仍能利用存儲(chǔ)在超大容量電容器上的能量將水閥關(guān)斷。如果電池電量不足，用戶(hù)可以隨時(shí)更換，這樣，不僅使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)工序，還使產(chǎn)品的成本降低。另外，在軍事方面，很多裝備還必須與超大容量電容器組合才能構(gòu)成“致密型超高功率脈沖電源”，通過(guò)對(duì)脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調(diào)整，使脈沖電起飛加速器、電弧噴氣式推進(jìn)器等裝置能實(shí)現(xiàn)在脈沖狀態(tài)下達(dá)到任何平均功率水平的功率狀態(tài)。
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