基本信息
- 項目名稱：
- 一種新型大功率綠色非對稱型超級電容器
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目基于我們實驗室研發(fā)的高容量性能的正極材料（Co(OH)2）、負極材料活性炭和導電性能優(yōu)良的固體電解質,利用成熟的電極制備過程和壓片工藝，以泡沫鎳為集電器和電極，研制出一種低成本、輕質且高效的能源存儲設備—新型超級電容器。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、穩(wěn)定行好、功率密度高等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 目前，研究超級電容器的熱點只要集中在電極材料的性能方面，應用方面也主要是以碳材料為電極材料的對稱型超級電容器，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。我們實驗室一直致力于氧化物電極材料的開發(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。為了克服對稱型超級電容器的一些缺點，我們嘗試了利用金屬氧化物為超級電容器的正極材料，活性炭為負極材料組裝了一個非對稱大功率的超級電容器，性能優(yōu)異，可以嘗試用于實際應用。所以本項目提出以本實驗室制備的納米金屬氧化物（Co(OH)2）為正極，活性炭為負極，固體電解質代替液體KOH電解質，組裝成混合電容器。希望能夠利用活性炭較好的導電性，促使納米氧化物可以在較寬的電位窗口內順利地進行法拉第反應，維持其優(yōu)異的電容性能，改善電化學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，有利于電容器的封裝，延長電容器的使用壽命，從而研制出功率密度高、循環(huán)壽命長、環(huán)保的新型超級電容器。該電容器作為儲能裝置，高效儲能、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，使電動汽車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，綠色環(huán)保。 超級電容器的最大特點就是能夠在瞬間提供大的功率，而電池卻做不到這一點，為此，本項目做了一組比較實驗——爬坡實驗。實驗結果證明了在純的電池系統(tǒng)，爬比較陡峭的坡時，一般爬不上去，而對于外加了超級電容器的混合系統(tǒng)而言，爬坡性能比較良好，這充分證明了超級電容器的大功率的特性。為以后非對稱電容器在電動汽車上的應用打下了堅實的基礎。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本課題基于本實驗室長期對于超級電容器電極材料的研究經(jīng)驗，采用本實驗室開發(fā)制備的電極材料和本實驗室最新開發(fā)的固體電解質等為原料，正極材料采用氫氧化鈷，負極材料為活性炭，泡沫鎳為集流體，以現(xiàn)有的技術組裝了一個可以應用于實際的新型新型綠色大功率非對稱型超級電容器。 1.基本思路 本設計中采用“設想→電極材料、電解液、隔膜的選擇和制備→外殼設計→組裝→實驗測試→應用”的思路和“設計→組裝→檢測→結論”的技術路線。 2.創(chuàng)新點 本課題創(chuàng)新點在于：采用實驗室自己開發(fā)制備的固體電解質和多孔氫氧化鎳為原材料，采用非對稱性組裝。有效解決了使用傳統(tǒng)水溶性電解質時產(chǎn)生漏液和熱膨脹已經(jīng)多組電極片串聯(lián)時的絕緣等諸多問題。 3.技術指標 本超級電容器設計和組裝中的關鍵技術是在超級電容器的內部結構設計上同時采用電極組的串聯(lián)和并聯(lián)并存的方式，可根據(jù)實際需要電壓和功率組裝出相應的超級電容器，具有很大的靈活性和適應性。它的技術指標與經(jīng)濟指標： （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
科學性、先進性
- 超大容量電容器( Supercapacitor) 又稱電化學電容器、超級電容器等。由于它具有傳統(tǒng)電池無法比擬的高功率密度、長循環(huán)壽命、無污染等特點，有希望成為本世紀新型的綠色電源。 本項目基于本實驗室現(xiàn)有的資源，利用成熟的電極制備過程和壓片工藝，將泡沫鎳作集流體，納米金屬氧化物為正極，活性炭為負極，研制出了一種低成本、輕質且高效的能源存儲設備：微型超級電容器。該電容器作為儲能裝置，高效儲能、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，使電動汽車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。 超級電容器的最大特點就是能夠在瞬間提供大的功率，而電池卻做不到這一點，為此，本項目做了一組比較實驗——爬坡實驗。實驗結果證明了在純的電池系統(tǒng)，爬比較陡峭的坡時，一般爬不上去，而對于外加了超級電容器的混合系統(tǒng)而言，爬坡性能比較良好，這充分證明了超級電容器的大功率的特性。為以后非對稱電容器在電動汽車上的應用打下了堅實的基礎。
獲獎情況及鑒定結果
- 作品于2010年獲得蘭州理工大學立項基金。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 技術入股的方式
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖片、視頻
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本項目以本實驗室的資源和長期的工作為基礎，利用簡單易行的方法研制出了一種低成本、輕質且高效的能源存儲設備：微型超級電容器。該電容器的最大優(yōu)點就是具有快充慢放的性能，充電幾分鐘，就可以實現(xiàn)放電幾十分鐘的優(yōu)異性能，也改善電化學電容器在功率特性和能量特性方面的不足。在此基礎之上，我們可以制備出比較大型的高容量的超級電容器，有望應用于電動車等大型設備，不但降低了成本，解決了目前電動車因為價格高的尷尬局面，也使得我們的環(huán)保事業(yè)更進一步，所以，我們認為，這種微型的超級電容器可以帶我們進入一個新的時代。
同類課題研究水平概述
- 世界經(jīng)濟的現(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用。因而它是建立在化石能源基礎之上的一種經(jīng)濟。若化石能源與原料鏈條的中斷，必將導致世界經(jīng)濟危機和沖突加劇，最終葬送現(xiàn)代市場經(jīng)濟。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)濟可獲得持續(xù)的發(fā)展必然。新能源材料則是指實現(xiàn)新能源的轉化和利用以及發(fā)展新能源技術中所用到的關鍵材料，是發(fā)展新能源的核心和基礎。 由于超級電容器具有優(yōu)異的儲能，一問世便受到人們的重視，已成功地運用到很多領域，并且其應用范圍還在不斷擴大，其中最為令人矚目的應用是作為電動車輛驅動電源和功率單元。隨著研究熱潮的出現(xiàn)，超級電容器的市場也在不斷膨脹。近年來，雙電層電容器的年銷售額都保持在1000萬美元以上，并且逐年穩(wěn)步增長，到1997年其年銷售額已經(jīng)超過1.3億美元。隨著其需求量的不斷增大，超級電容器的年產(chǎn)值正以20 %的速度遞增，具有相當廣闊的市場前景。隨著制備技術的提高和性能的不斷改善，超級電容器以其大容量、高功率密度、大電流、多次充放電等性能，在消費電子、通訊、醫(yī)療器械、國防、航空航天等領域得到越來越廣泛的應用?，F(xiàn)將主要應用范圍舉例如下，目前已經(jīng)開發(fā)的超級電容器，根據(jù)放電量、放電時間、工作電壓以及電容量，主要用作后備、替換和主電源三類： （1）作后備電源：目前超級電容器應用較廣的領域在電子產(chǎn)品領域，主要是充當存儲器、電腦、計時器等的后備電源。 （2）作替換電源：由于具有充放電次數(shù)高、壽命長、使用溫度范圍寬、循環(huán)效率高以及低自放電等特點，故很適合如白晝—黑夜轉換的場合應用。 （3）作主電源：通過一個或幾個超級電容器釋放持續(xù)幾毫秒到幾秒的大電流放電之后，超級電容器再由低功率的電源充電。 超級電容器也可代替鋰電池應用于智能水表，從而保障了水閥關斷的可靠性，在外接電池電量不足時,仍能利用存儲在超大容量電容器上的能量將水閥關斷。如果電池電量不足，用戶可以隨時更換，這樣，不僅使電路設計簡化，減少產(chǎn)品的出廠檢驗工序，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成“致密型超高功率脈沖電源”，通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調整，使脈沖電起飛加速器、電弧噴氣式推進器等裝置能實現(xiàn)在脈沖狀態(tài)下達到任何平均功率水平的功率狀態(tài)。
