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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，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、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，互補二者不足，設(shè)計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理，總結(jié)出：
1）電池：通過法拉第電化學反應(yīng)儲能，反應(yīng)發(fā)生在電極內(nèi)部，改變了電極氧化程度、化學組成和晶格參數(shù)。由于反應(yīng)在電極內(nèi)部進行，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，由于電化學反應(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)合了這兩種儲能機理，成功實現(xiàn)了兩種儲能裝置的性能互補，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)過反復的理論和實驗論證，我們確定了選擇尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5012作為負極材料，理由是：
1）Li4Ti5O12的理論比容量高,為175mAh/g,遠高于活性炭的(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、價格低廉、環(huán)境友好的活性炭，通過實驗發(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。
選取實驗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體系，故采用非水系活性炭粉末制備正極。
3、采用獨創(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，充放電時縮短了電子和Li+擴散路徑，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晶體中的擴散路徑。因此我們致力于改善Li4Ti5O12的合成方法，獨創(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材料的電導率　
Li4Ti5O12的導電率低，大電流充放電時，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性能惡化。我們通過在Li4Ti5O12材料表面包覆導電劑，構(gòu)造導電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提高了電子電導率，繼而極大程度上改善了大電流放電特性。
4、優(yōu)化正負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)獨創(chuàng)的技術(shù)方法，成功將一個電化學電極與一個電容型電極結(jié)合在同一體系中后，我們進一步用重復試驗反復對照，優(yōu)化正負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。

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