[00113284]基于嵌入化合物电极材料的高比能量超级电容器及其关键技术

电化学电容器是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置,它具有比容量高、功率大、寿命长、工作温限宽、免维护等特点,在电子产品、电动汽车、电力峰谷调节和风力、太阳能发电能量储存等领域得到了广泛应用,但存在能量密度低的缺点。 本项目属于材料电化学领域,从材料和体系两个方面以提升电化学超级电容器的能量密度为主线（E=0.5CV2）,主要研究电极材料的超级电容器的电化学反应规律和储能机理,应用理论计算和纳米技术等设计、合成高性能多孔电极材料,以提高电极材料的比电容（双层电容和赝电容）;开发新型的高性能混合电容器体系（有机和水系体系）以提高电容器的工作电压,从而实现电化学电容的高比能量化。 1.揭示了水溶液中锂离子和质子的竞争嵌入反应机理,发现两者的竞争嵌入反应与锂离子嵌入化物正极材料的结构和溶液的pH值有关。发明了具有自主知识产权的活性碳/LiMn2O4高比能量混合型水系电化学超电容器。这种电容器克服了传统超电容器电解质溶液消耗的问题,具有高比能量、长寿命、低成本的特点。上海某公司应用我们基础研究的成果开发的电池电容器,已成功用于北京奥运村太阳能路灯和洋山港太阳能航标灯的示范应用,美国Aquion Energy 也正在规模化生产这类电容器。 2.首次从理论和实验上证实：在水和氧气存在下,作为水系锂离子电池（或混合型电容器）的锂离子嵌入化合物负极材料会被氧气氧化是造成容量衰减的主要原因。并通过消除氧（电池密封）、控制pH值和选择合适的碳包覆电极材料,大大地提高了循环性能。突破了近20多年来水系锂离子的循环寿命差的瓶颈（循环100次容量维持率小于50％）。研成果发表在《自然.化学》。 3 揭示了锂离子在纳米碳层缺陷中快速传输的机制,并首次提出了“纳米+碳包覆”的慨念,解决了有机系混合型电容器钛酸锂负极材料存在电子导电性差和锂离子扩散系数小导致的倍率特性差的缺点。发明的具有自主知识产权的碳包覆纳米钛酸锂电极材料技术,2010年11月通过教育部的鉴定,该技术制备的钛酸锂电极材料达到国内领先、国际先进水平。 4.,首次提出了介孔离子传输,微孔储能的新概念,制备的介/微多级孔结构实现了146 F/g 高容量 （明显高于活性炭的100 F/g）;采用介孔碳定向控制生长聚苯胺纳米线,实现了900F/g的超大容量;以天然生物螃蟹壳（主要为碳酸钙）为模板,合成有序介孔碳纳米线阵列簇,兼有高比面积和高电子导电性的特点,提升电容器的综合性能。