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新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池是結(jié)合超級電容器和鋰離子電池技術(shù)原理研制的一種新型儲能器件，具有高容量密度、高功率密度、長循環(huán)命、高工作電壓等優(yōu)異的綜合性能，是日益興起的電動技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的極佳的動力電池。相對于燃料電池、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。

隨著近年來電池技術(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低而競爭力有限。同時(shí)，超級電容器雖然充放電速率快，循環(huán)壽命長，但其容量密度低、自放電嚴(yán)重、工作電壓在 1V 以下等問題，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的循環(huán)壽命。
我們深入研究了電池與電容器的儲能機(jī)理，總結(jié)出：
1）電池：通過法拉第電化學(xué)反應(yīng)儲能，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）超級電容器：通過在電極表面儲存電荷，形成的雙層電容達(dá)到儲能效果，因而其功率密度高，循環(huán)壽命長。但是電荷只能儲存在電極表面，因此雙電層電容器工作電壓低、 容量密度低。
于是我們創(chuàng)造性地使用一個電極使用鋰離子電池電極材料，另一個電極使用超級電容器電極材料，結(jié)合了這兩種儲能機(jī)理，成功實(shí)現(xiàn)了兩種儲能裝置的性能互補(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)，在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)幾乎無變化，循環(huán)壽命長，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, 并且其平臺容量超過總?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。
正極材料我們選用電容性極好，制備工藝簡單、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的活性炭，通過實(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，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)，富集的電子將通過極化效應(yīng)反過來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；
通過我們自主研發(fā)獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)方法，成功將一個電化學(xué)電極與一個電容型電極結(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。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎

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