基本信息
- 项目名称：
- 新型Li4Ti5O12/AC混合电容器电池
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 新型Li4Ti5O12/AC混合电容器电池是结合超级电容器和锂离子电池技术原理研制的一种新型储能器件，具有高容量密度、高功率密度、长循环命、高工作电压等优异的综合性能，是日益兴起的电动技术产业所需的极佳的动力电池。相对于燃料电池、钠-硫电池等其他新型电池，新型Li4Ti5O12/AC混合电容器电池基于成熟的传统电池技术,在快速推广和规模化生产方面更具优势。
- 详细介绍：
- 随着近年来电池技术的发展，特别是锂离子电池的广泛应用，电动汽车、家用电气、航天航空设施等大型电子产品领域发展迅速，但这些大型电子产品往往需要较大的瞬间电流，而传统电池由于功率密度过低而竞争力有限。同时，超级电容器虽然充放电速率快，循环寿命长，但其容量密度低、自放电严重、工作电压在 1V 以下等问题，大大限制了其可应用性。 所以寻求同时具有高比容量和高比功率、循环寿命长等优异性能且廉价、清洁的新能源装置，是能源领域的最重要的课题之一。 于是我们自创超级电容器和锂离子电池结合技术，集合二者优点，互补二者不足，设计研制了具有高容量密度、高功率密度、长循环寿命、高工作电压等优异综合性能的 Li4Ti5O12/AC混合电容器电池。 下面是具体阐述： 1、将超级电容器和锂离子电池的技术原理相结合，使新型混合电容器电池在拥有较高的能量密度的同时也具有较高的功率密度和较长的循环寿命。 我们深入研究了电池与电容器的储能机理，总结出： 1）电池：通过法拉第电化学反应储能，反应发生在电极内部，改变了电极氧化程度、化学组成和晶格参数。由于反应在电极内部进行，因此电池能量密度大。但电池中活性物质结构发生变化，因此循环寿命较短。同时，由于电化学反应速度较慢、 电阻较大，电池的功率密度较低。 2）超级电容器：通过在电极表面储存电荷，形成的双层电容达到储能效果，因而其功率密度高，循环寿命长。但是电荷只能储存在电极表面，因此双电层电容器工作电压低、 容量密度低。 于是我们创造性地使用一个电极使用锂离子电池电极材料，另一个电极使用超级电容器电极材料，结合了这两种储能机理，成功实现了两种储能装置的性能互补，得到了高容量密度、高功率密度、循环寿命长的优良性能。 2、选择最理想的电极材料，以保证混合电容器的优良综合性能得以实现。 混合电容器电池的性能极大程度上决定于电极材料的性能，于是选择合适的电极材料至关重要。经过反复的理论和实验论证，我们确定了选择尖晶石结构的Li4Ti5012作为负极材料，理由是： 1）Li4Ti5O12的理论比容量高,为175mAh/g,远高于活性炭的(40mAh/g)； 2）Li4Ti5O12具有零应变的性质，在充放电过程中晶体结构几乎无变化，循环寿命长，充放电效率接近100％； 3）嵌锂电位高(1.55V vs.Li/Li+ ) 而不易引起金属锂析出, 并且其平台容量超过总容量的85％，充电结束时电位迅速上升，此现象可用于指示终止充电，避免了过充电； 4）Li4Ti5O12中锂离子扩散系数约为石墨中的10倍，具有大电流充放电优势。 正极材料我们选用电容性极好，制备工艺简单、价格低廉、环境友好的活性炭，通过实验发现活性炭比电容随比表面积增大的幅度并不一致，有些活性炭虽然比表面积不大，但却显示出较大的比容量，说明活性炭的比电容不仅仅是比表面积的函数，而且还受其它因素的影响。 选取实验性能最佳的比表面积为2000m2/g的活性炭为正极，在水系和非水电解质中能获得280F/g和120F/g的比容量。Li4Ti5O12/AC混合电容器电解液为有机体系，故采用非水系活性炭粉末制备正极。 3、采用独创技术合成容量密度高、嵌锂电位高、结构稳定的Li4Ti5O12作为嵌锂负极，极大程度地提高了混合电容器电池的容量密度、循环稳定性和安全性。 我们采用自创的一步水热离子交换法制备微纳米级Li4Ti5O12微球作为活性物质，并加以性能改进，充放电时缩短了电子和Li+扩散路径，增加了电极与电解液接触面积，提高了活性物质的利用率，从而有效地提高了电极的比容量。 1）制备合适形貌的Li4Ti5O12 形貌是影响Li4Ti5O12电化学性能的一个重要因素。合适的颗粒形貌有利于电极材料与电解液的浸润，合适的颗粒尺寸能够减小Li+在Li4Ti5O12晶体中的扩散路径。因此我们致力于改善Li4Ti5O12的合成方法，独创了一步水热离子交换法合成出了制备球形的尺寸均一的纳米级Li4Ti5O12微球，极大程度地提高了其大电流放电特性。 2）提高Li4Ti5O12材料的电导率 Li4Ti5O12的导电率低，大电流充放电时，富集的电子将通过极化效应反过来限制锂离子的嵌入和脱出，从而使得材料电化学性能恶化。我们通过在Li4Ti5O12材料表面包覆导电剂，构造导电网络，从而显著提高了电子电导率，继而极大程度上改善了大电流放电特性。 4、优化正负极材料性能和容量匹配，使该混合电容器电池获得其最佳综合性能； 通过我们自主研发独创的技术方法，成功将一个电化学电极与一个电容型电极结合在同一体系中后，我们进一步用重复试验反复对照，优化正负极材料性能和容量匹配，使该混合电容器电池获得其最佳综合性能。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的 结合超级电容器和锂离子电池技术原理，将二者优点结合，研制出的一种新型储能器件，为日益兴起的电动技术产业提供的极佳的动力电池。 创新点 1、超级电容器和锂离子电池结合技术，采用锂离子电池材料与超级电容材料构造混合电容器电池； 2、尖晶石型钛酸锂的微纳多级球状粉末的制备技术，即一步水热离子交换法； 3、包覆高导电材料的钛酸锂粉末的直接制备技术。 作品技术关键 1、将锂离子电池的离子嵌入-脱嵌机制与超级电容器的双电层机制协调组合于一个储能器件中，正极采用多孔活性炭保持纯电容特性，保证电池的高功率和良好的脉冲充放电性能；负极采用多级微球形貌的Li4Ti5O12，用同轴碳纳米管增加材料与电解液接触面积的基础上，大大改善了Li4Ti5O12的导电性，组成非对称非水体系的混合电容器电池。 2、自创一步水热法，制备微纳米级Li4Ti5O12微球作为活性物质，并加以性能改进，充放电时缩短了电子和Li+扩散路径，增加了电极与电解液接触面积，提高了活性物质的利用率，从而提高了电极的比容量。 3、负极极板的制作，通过活性物质与活性炭材料的混合，使其具有较好的电子和Li+导通能力，结合活性物质的高比表面积的特点，使电池获得更优良的倍率特性。 4、自主设计进行正负极材料性能和容量匹配实验，对非对称电化学电容器的赝电容性负极、电容性正极以及非水系电解液进行优化设计与匹配，使该混合电容器电池获得其最佳综合性能。
科学性、先进性
- 1、将传统的锂离子电池与超级电容地融合在一个电池系统里，利用电化学效应和电容的物理效应协同起来作为储能供能的手段，并优化正负极的匹配，使新型电池同时具有较高的能量密度和较大的工作电流，扩展了电池的应用范围，可以适应一些动力电池或电能转换、储存装置的特殊需求。 2、对现有锂离子电池的电极活性物质进行改进，与电解液有充分的接触表面，使电极活性物质更充分地被利用，同时提高电极的电导率，从而使电池拥有更优良的充放电性能。 目前电动汽车动力电池主要有镍氢电池与锂离子电池等，其最大充放电倍率在10C与20C之间。新型锂离子混合电容器电池最大放电倍率可达40-60C，高倍率连续放电循环容量保持在80%以上，更适应纯电动汽车启动、加速对电池功率和容量的要求。
获奖情况及鉴定结果
- 校大学生科技节暨第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内选拔赛中获得特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术转让或合作开发
作品可展示的形式
- 产品实物、现场演示、图片录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 新型Li4Ti5O12/AC混合电容器电池具有高容量密度、高功率密度、循环寿命长、免维护、工作电压高等性能特点。 除了在电动车领域应用外，还可应用于记忆性存储器、微型计算机、系统主板和钟表等的备用电源，电动玩具车等的主电源，内燃机的启动电源及太阳能电池的辅助电源等，作为高脉冲电流发生器电源，在航空航天、国防、通信等领域也将发挥重要作用。 具有可观的经济效益、社会效益、安全效益和环境效益，推广前景广阔。 目前已有的电动汽车、混合动力汽车一般采用二次电池、超级电容器和控制系统联合，以满足其使用要求。新型Li4Ti5O12/AC混合电容器电池集电池电容器的优点于一身，可省去控制系统，具有可观的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 1、国内方面，上海交通大学的唐宇峰等研究者将高倍率尖晶石型Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料的合成及其电化学性能的研究，但此类研究都是单纯地研究Li4Ti5O12作为电极材料的制取与电化学性能，未涉及采用Li4Ti5O12作为电化学电容器电极材料的研究。本项目采用高倍率尖晶石型Li4Ti5O12作为电化学电容器的负极，研究了如何使Li4Ti5O12的优良电化学性能在电化学电容器中得到充分发挥。 2、另外国内已有采用锂离子电池材料的非水体系电化学混合电容器，但该混合电容器正极采用锂离子嵌入化合物材料 LiMn2-xMxO4材料,负极采用高比表面积的活性炭等,组成不对称的电化学电容器。LiMn2-xMxO4材料具有高嵌入电位，但比能量不及Li4Ti5O12。而本项目正负极体系与其相反，采用尖晶石型Li4Ti5O12作为负极，活性炭作为正极，以锂离子电池有机溶液作为电化学电容器电解液的研究在国内公开发表的中文文献中未见相同报道。 3、国外文献表明已有学者采用导电炭材料（如碳纤维、纳米尺度的石墨炭黑等）与尖晶石纳米晶钛酸锂制备电极，但其应用体系都是对称性电化学电容器。 本项目作品系一个非对称电化学电容器，其中正极仍保持纯电容特性，负极采用的是电导性炭材料和纳米晶钛酸锂。国内外未见应用炭材料与多级球状钛酸锂制备非对称混合电容器的报道。
