面向儲(chǔ)能智能化應(yīng)用的超級(jí)電容器件的三維設(shè)計(jì)和研究項(xiàng)目摘要

隨著電子設(shè)備及其多功能化應(yīng)用的發(fā)展，智能化儲(chǔ)能器件由于具有柔性、透明、彈性可拉伸等優(yōu)點(diǎn)在人們的日常生活或某些專項(xiàng)領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。相比于其他電化學(xué)儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容器因其功率密度高、充電速率快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為智能化儲(chǔ)能器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，宏觀二維平面組裝構(gòu)建的超級(jí)電容器件在智能化應(yīng)用過程中出現(xiàn)功率密度與能量密度不能兼得，及電化學(xué)性能不穩(wěn)定、機(jī)械形變強(qiáng)度低、壽命短等問題。基于此，本項(xiàng)目提出一種基于器件組元的微觀組裝的三維超級(jí)電容器件設(shè)計(jì)（三維儲(chǔ)能器件）：1）增加一個(gè)維度可以解決超級(jí)電容的能量密度與功率密度不能兼得問題，2）微觀組裝設(shè)計(jì)不僅可增強(qiáng)器件在其宏觀尺度的劇烈變化下的電化學(xué)性能穩(wěn)定性，還可緩解電極內(nèi)部應(yīng)力聚集和釋放引起的器件機(jī)械性能差和壽命短問題。本項(xiàng)目的研究將為面向智能化應(yīng)用的儲(chǔ)能電容器的制備提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。

超級(jí)電容器由于其功率密度高、充放電速率快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為智能化儲(chǔ)能器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前商業(yè)化的超級(jí)電容器能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池，因?yàn)槠鋬?chǔ)能主要依靠電極材料表層的界面反應(yīng)。因此，超級(jí)電容器電極材料需要合理的三維設(shè)計(jì)，以增大電解質(zhì)與電極的接觸面積，從而增加界面反應(yīng)，提高其性能。超級(jí)電容器電極材料主要有碳材料、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等等?；谔疾牧系碾p電層超級(jí)電容器，其儲(chǔ)能機(jī)制主要是物理吸附離子，故其能量密度較低，而基于金屬氧化物等的贗電容器，是通過氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)能，其能量密度雖然有所提高，但是功率密度不如雙電層電容器。針對(duì)超級(jí)電容器功率密度和能量密度不能同時(shí)兼得的問題，我們通過對(duì)電容器材料的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改性，優(yōu)化器件的性能。主要成果有：1）通過對(duì)商業(yè)的三聚氰胺泡沫進(jìn)行一步碳化，制備出氮摻雜的、可壓縮的、可彎曲的、電化學(xué)性能較高的三維泡沫碳，并且研究了碳化溫度對(duì)三維泡沫碳性能的影響。適當(dāng)?shù)奶蓟瘻囟葹槿S泡沫碳提供良好的機(jī)械性能，在壓縮和彎曲過程中仍然能保持良好的電化學(xué)性能。氮的摻雜為泡沫碳提供了一部分贗電容，提高了材料的比電容，在0.5A/g電流密度下比電容高達(dá)221F/g，當(dāng)電流密度增加到50A/g時(shí)，比電容仍然有100F/g。2）通過靜電紡絲并碳化制備自支撐碳纖維片CNF，然后用CVD法在碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管CNT，制備出CNT-CNF復(fù)合材料。用KOH高溫活化處理CNT-CNF，在700-750℃下，KOH活化90min，CNT-CNF復(fù)合電極的尖端完全張開，比表面積提高299.5m2/g（約為原始電極的5倍），比電容提高3-4倍。3）引入了一種電化學(xué)活化方法來改善MnO2@CNTs的電化學(xué)性能。在電化學(xué)活化過程中，濺射后的MnO2薄膜可以重構(gòu)并形成3D納米片結(jié)構(gòu)，并伴隨有電解液離子的嵌入。經(jīng)過放電電流密度為10mA/cm2電化學(xué)活化的MnO2，在電流密度為0.5A/g時(shí)，比電容為404F/g，在100A/g時(shí)，電容仍然能保持78.7%。

超級(jí)電容是目前世界關(guān)注的課題，因其功率大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、高低溫性能好等優(yōu)于電池的特點(diǎn)，在電網(wǎng)調(diào)頻，電動(dòng)汽車，備用電源，激光武器等諸多領(lǐng)域有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究意義重大。本項(xiàng)目將研究三氧化鉬（MoO3）材料及其混合超級(jí)電容器件的性能，重點(diǎn)關(guān)注納米MoO3電極材料的合成、表征及其贗電容特性，并用MoO3與活性碳（AC）材料構(gòu)成混合超級(jí)電容，測(cè)試其單體器件的電化學(xué)性能，爭(zhēng)取達(dá)到長(zhǎng)壽命（>10K 次）、高比能量（15-30 Wh/kg）、高功率（1-2 kW/kg）的目標(biāo)。關(guān)鍵是合成出高性能的MoO3納米材料并探索其可調(diào)控合成方法，獲得理想晶體結(jié)構(gòu)和孔徑結(jié)構(gòu)的薄膜材料，通過碳包覆和金屬離子摻雜方式，提高材料的電導(dǎo)率，拓寬反應(yīng)電壓范圍，構(gòu)建MoO3/AC混合超級(jí)電容體系。采用各種物理手段表征材料性能，用電化學(xué)方法檢測(cè)MoO3材料和超級(jí)電容器件性能，分析材料和器件在充放電循環(huán)過程中的反應(yīng)機(jī)理。

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)研究。 2100433B

超級(jí)電容是目前世界關(guān)注的課題，因其功率大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、高低溫性能好等優(yōu)于電池的特點(diǎn)，在高功率激光武器、電磁炮、電網(wǎng)調(diào)頻、電動(dòng)汽車等諸多領(lǐng)域有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究意義重大。超級(jí)電容雖然具有高功率和長(zhǎng)循環(huán)壽命優(yōu)點(diǎn)，但能量密度很小。提高超級(jí)電容的能量密度同時(shí)保持功率和循環(huán)特性，是本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容。其中一個(gè)解決方案是采用贗電容材料作為電極材料。贗電容材料在充放電過程中發(fā)生二維法拉第反應(yīng)，因此材料的克容量很高，同時(shí)倍率性能也很好，其電化學(xué)性能表現(xiàn)為電容行為。如何制備二維結(jié)構(gòu)的贗電容電極材料，在較寬電壓范圍內(nèi)發(fā)揮其放電容量，是研究的一個(gè)重點(diǎn)。本項(xiàng)目研究了超級(jí)電容的材料與器件，主要是金屬氧化物贗電容材料（氧化鉬，氧化鉍，氧化鈦，氧化鈮等）的研究，通過二維納米材料的設(shè)計(jì)合成，與導(dǎo)電碳復(fù)合與金屬摻雜的結(jié)合，提高導(dǎo)電性，獲得高容量和高倍率性能的贗電容材料。研究設(shè)計(jì)了二維結(jié)構(gòu)的MoO3材料，通過溶劑剝離法實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)納米厚度（2-6nm）的二維MoO3可控制備，材料表面與電解液充分接觸，Li 擴(kuò)散路徑縮短，使容量得到充分發(fā)揮，在74 mA/g電流下，可逆容量達(dá)到1100 mAh/g，接近理論容量。同時(shí)對(duì)氧化鈦，氧化鉍，氧化鈮等贗電容復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提高了材料的容量、倍率和壽命等電化學(xué)性能。贗電容金屬氧化物與活性碳正負(fù)電極構(gòu)建混合超級(jí)電容（a-Nb2O5//AC），表現(xiàn)出35Wh/kg的比能量，比功率大于2kW/kg，循環(huán)壽命達(dá)到上萬次。采用各種分析手段表征材料的物理性能，用電化學(xué)方法檢測(cè)金屬氧化物材料和超級(jí)電容器件的性能，揭示了材料和器件在充放電循環(huán)過程中的反應(yīng)機(jī)理。研究了高電壓電池體系，通過添加劑抑制電解液與正極材料在高電壓時(shí)的反應(yīng)，延長(zhǎng)了電池壽命。項(xiàng)目研究結(jié)果發(fā)表了58篇高水平論文，被引用766次，申請(qǐng)專利12項(xiàng)，培養(yǎng)研究生18名。項(xiàng)目達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，按計(jì)劃完成任務(wù)。 2100433B