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基本信息
- 項目名稱：
- 新型Li4Ti5O12/AC混合電容器電池
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 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)?；a(chǎn)方面更具優(yōu)勢。
- 詳細介紹：
- 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(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(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(fù)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(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(dǎo)率 Li4Ti5O12的導(dǎo)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(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(xué)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(fù)試驗反復(fù)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。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的 結(jié)合超級電容器和鋰離子電池技術(shù)原理，將二者優(yōu)點結(jié)合，研制出的一種新型儲能器件，為日益興起的電動技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供的極佳的動力電池。 創(chuàng)新點 1、超級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-脫嵌機制與超級電容器的雙電層機制協(xié)調(diào)組合于一個儲能器件中，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；負極采用多級微球形貌的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，從而提高了電極的比容量。 3、負極極板的制作，通過活性物質(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，使電池獲得更優(yōu)良的倍率特性。 4、自主設(shè)計進行正負極材料性能和容量匹配實驗，對非對稱電化學(xué)電容器的贗電容性負極、電容性正極以及非水系電解液進行優(yōu)化設(shè)計與匹配，使該混合電容器電池獲得其最佳綜合性能。
科學(xué)性、先進性
- 1、將傳統(tǒng)的鋰離子電池與超級電容地融合在一個電池系統(tǒng)里，利用電化學(xué)效應(yīng)和電容的物理效應(yīng)協(xié)同起來作為儲能供能的手段，并優(yōu)化正負極的匹配，使新型電池同時具有較高的能量密度和較大的工作電流，擴展了電池的應(yīng)用范圍，可以適應(yīng)一些動力電池或電能轉(zhuǎn)換、儲存裝置的特殊需求。 2、對現(xiàn)有鋰離子電池的電極活性物質(zhì)進行改進，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，同時提高電極的電導(dǎo)率，從而使電池擁有更優(yōu)良的充放電性能。 目前電動汽車動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)純電動汽車啟動、加速對電池功率和容量的要求。
獲獎情況及鑒定結(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
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 產(chǎn)品實物、現(xiàn)場演示、圖片錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 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、免維護、工作電壓高等性能特點。 除了在電動車領(lǐng)域應(yīng)用外，還可應(yīng)用于記憶性存儲器、微型計算機、系統(tǒng)主板和鐘表等的備用電源，電動玩具車等的主電源，內(nèi)燃機的啟動電源及太陽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、國防、通信等領(lǐng)域也將發(fā)揮重要作用。 具有可觀的經(jīng)濟效益、社會效益、安全效益和環(huán)境效益，推廣前景廣闊。 目前已有的電動汽車、混合動力汽車一般采用二次電池、超級電容器和控制系統(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)點于一身，可省去控制系統(tǒng)，具有可觀的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 1、國內(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。本項目采用高倍率尖晶石型Li4Ti5O12作為電化學(xué)電容器的負極，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,負極采用高比表面積的活性炭等,組成不對稱的電化學(xué)電容器。LiMn2-xMxO4材料具有高嵌入電位，但比能量不及Li4Ti5O12。而本項目正負極體系與其相反，采用尖晶石型Li4Ti5O12作為負極，活性炭作為正極，以鋰離子電池有機溶液作為電化學(xué)電容器電解液的研究在國內(nèi)公開發(fā)表的中文文獻中未見相同報道。 3、國外文獻表明已有學(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)用體系都是對稱性電化學(xué)電容器。 本項目作品系一個非對稱電化學(xué)電容器，其中正極仍保持純電容特性，負極采用的是電導(dǎo)性炭材料和納米晶鈦酸鋰。國內(nèi)外未見應(yīng)用炭材料與多級球狀鈦酸鋰制備非對稱混合電容器的報道。
