基于過渡金屬基化合物的高能量密度超級電容器研發(fā)
超級電容器是一種新型綠色儲能器件,擁有比功率大、充放電效率高, 壽命長等優(yōu)點,在低碳經(jīng)濟(jì)時代展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電 子產(chǎn)品、電動汽車、混合電動汽車、無線通訊設(shè)施、信號監(jiān)控、太陽能及風(fēng) 力發(fā)電等領(lǐng)域。開發(fā)具有高能量、高循環(huán)性和低成本的超級電容器是該領(lǐng)域 未來重要研究之一。電極材料作為超級電容器的核心組成部分,對其儲能 性能有著至關(guān)重要的影響,而具有高理論容量、低價格的過渡金屬基化合物 (Fe、Co、Ni)是實現(xiàn)高容量、低成本超級電容器首選的電極材料。以過渡金 屬基化合物為主要研究對象,對其組分及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)控,通過儲能性能測 試及儲能機(jī)理分析,為開發(fā)高性能、低成本的活性電極材料提供實驗依據(jù)。 這一研究的開展,給組裝超高能量密度的超級電容器并使其從實驗室走向我們 的日常生活帶來了新的前景。1. 先進(jìn)性及產(chǎn)業(yè)化前景:提高性能、降低成本一直以來都是超級電容器發(fā)展的 主旋律,其中能量密度低是超級電容器發(fā)展面臨的主要問題,因此開發(fā)出具 有高能量、成本低的超級電容器迫在眉睫。就提高性能而言,超級電容器的 電極改進(jìn)是重點,主要途徑是通過提高電壓窗口和提高電極材料的比電容。目前針對超級電容器電極材料的研究主要集中在:(1)改進(jìn)現(xiàn)有的電極材料;(2)開發(fā)新型電極材料;(3)改進(jìn)生產(chǎn)工藝,實現(xiàn)低成本化。目前在全球范 圍內(nèi)達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平的超級電容器基本都是以雙電層為儲能機(jī)制的活性 碳基超級電容器,而以贋電容為儲能機(jī)制的超級電容器尚處于實驗室開發(fā)階 段,因此超級電容器還有很大的發(fā)展空間。2. 對所在行業(yè)和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的影響:根據(jù)超級電容器的容量大小 和功率密度,可以將其用作后備電源、替換電源和主電源。當(dāng)主電源發(fā)生故障 而不能正常使用時,超級電容器便起到后備補(bǔ)充作用,它具有壽命長、充放電快 和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。當(dāng)用作替換電源時,主要應(yīng)用于對環(huán)境變化有特殊要 求的場合,例如白天太陽能提供電源并對超級電容器充電,晩上則由超級電 容器提供電源。作為主電源時,主要利用超級電容的大功率密度,一般是一tin個或幾個超級電容器通過一定的方式連接起來持續(xù)釋放幾毫秒至幾秒的大電 流,放電之后,再由低功率的電源對其充電。3. 市場分析:根據(jù)IDTechEX數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2014年超級電容器全球市場規(guī)模為11 億美元,預(yù)計到2018年,超級電容器全球市場規(guī)模將達(dá)到32億美元,年復(fù)合 增長率為31%,并預(yù)測將會以此速度預(yù)計到2018年,超級電容器全球市場規(guī)模 將達(dá)到32億美元,年復(fù)合增長率為31%,并預(yù)測將會以此速度繼續(xù)增長。我國 將“超級電容器關(guān)鍵材料的研究和制備技術(shù)"列入到《國家中長期科學(xué)和技 術(shù)發(fā)展綱要(2006-2020年)》,作為能源領(lǐng)域中的前沿技術(shù)之一。有數(shù)據(jù)顯示, 2015年國內(nèi)超電市場規(guī)模已經(jīng)超過了 70億元,因此,在這樣的一個大背景下, 研究新材料以開發(fā)具有超高能量密度的超級電容器具有非常大的市場前景。
重慶大學(xué)
2021-04-11