基本信息
- 项目名称：
- 一种新型大功率绿色非对称型超级电容器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目基于我们实验室研发的高容量性能的正极材料（Co(OH)2）、负极材料活性炭和导电性能优良的固体电解质,利用成熟的电极制备过程和压片工艺，以泡沫镍为集电器和电极，研制出一种低成本、轻质且高效的能源存储设备—新型超级电容器。该电容器在快速充电后，可使LED灯照明数十分钟，使玩具汽车爬比较陡峭的斜坡，充电的速度明显比普通电池快得多，且具有使用寿命长、稳定行好、功率密度高等优点。
- 详细介绍：
- 目前，研究超级电容器的热点只要集中在电极材料的性能方面，应用方面也主要是以碳材料为电极材料的对称型超级电容器，这种电容器的不论是在能量密度方面和功率密度方面都很受限制。我们实验室一直致力于氧化物电极材料的开发和利用，主要有氢氧化镍、氢氧化钴、氧化镍、氧化钴等金属氧化物。为了克服对称型超级电容器的一些缺点，我们尝试了利用金属氧化物为超级电容器的正极材料，活性炭为负极材料组装了一个非对称大功率的超级电容器，性能优异，可以尝试用于实际应用。所以本项目提出以本实验室制备的纳米金属氧化物（Co(OH)2）为正极，活性炭为负极，固体电解质代替液体KOH电解质，组装成混合电容器。希望能够利用活性炭较好的导电性，促使纳米氧化物可以在较宽的电位窗口内顺利地进行法拉第反应，维持其优异的电容性能，改善电化学电容器在功率特性和能量特性方面的不足。采用固体电解质，有利于电容器的封装，延长电容器的使用寿命，从而研制出功率密度高、循环寿命长、环保的新型超级电容器。该电容器作为储能装置，高效储能、绿色环保、节能耐用。快速充电后2分钟后，可使LED灯照明35分钟，使电动汽车可以爬比较陡峭的斜坡（40度），充放电的速度比普通电池快得多，使用寿命长，绿色环保。 超级电容器的最大特点就是能够在瞬间提供大的功率，而电池却做不到这一点，为此，本项目做了一组比较实验——爬坡实验。实验结果证明了在纯的电池系统，爬比较陡峭的坡时，一般爬不上去，而对于外加了超级电容器的混合系统而言，爬坡性能比较良好，这充分证明了超级电容器的大功率的特性。为以后非对称电容器在电动汽车上的应用打下了坚实的基础。
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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
- 本课题基于本实验室长期对于超级电容器电极材料的研究经验，采用本实验室开发制备的电极材料和本实验室最新开发的固体电解质等为原料，正极材料采用氢氧化钴，负极材料为活性炭，泡沫镍为集流体，以现有的技术组装了一个可以应用于实际的新型新型绿色大功率非对称型超级电容器。 1.基本思路 本设计中采用“设想→电极材料、电解液、隔膜的选择和制备→外壳设计→组装→实验测试→应用”的思路和“设计→组装→检测→结论”的技术路线。 2.创新点 本课题创新点在于：采用实验室自己开发制备的固体电解质和多孔氢氧化镍为原材料，采用非对称性组装。有效解决了使用传统水溶性电解质时产生漏液和热膨胀已经多组电极片串联时的绝缘等诸多问题。 3.技术指标 本超级电容器设计和组装中的关键技术是在超级电容器的内部结构设计上同时采用电极组的串联和并联并存的方式，可根据实际需要电压和功率组装出相应的超级电容器，具有很大的灵活性和适应性。它的技术指标与经济指标： （1）阴极电极材料的电容量和电压 电容量：1000-1500 F/g； 工作电压：0.6 V （2）电容器单体元件组装 电容量：100-200 F/g； 比能量：10-20Wh/kg； 比功率：500 W/kg；循环次数：≥10000；工作电压：1~1.2V （3）多单元电容器的组装 电容量：10-20 F/g； 比能量：100-200Wh/kg； 比功率：500 W/kg；循环次数：≥10000；工作电压：10V
科学性、先进性
- 超大容量电容器( Supercapacitor) 又称电化学电容器、超级电容器等。由于它具有传统电池无法比拟的高功率密度、长循环寿命、无污染等特点，有希望成为本世纪新型的绿色电源。 本项目基于本实验室现有的资源，利用成熟的电极制备过程和压片工艺，将泡沫镍作集流体，纳米金属氧化物为正极，活性炭为负极，研制出了一种低成本、轻质且高效的能源存储设备：微型超级电容器。该电容器作为储能装置，高效储能、绿色环保、节能耐用。快速充电后2分钟后，可使LED灯照明35分钟，使电动汽车可以爬比较陡峭的斜坡（40度），充放电的速度比普通电池快得多，使用寿命长。 超级电容器的最大特点就是能够在瞬间提供大的功率，而电池却做不到这一点，为此，本项目做了一组比较实验——爬坡实验。实验结果证明了在纯的电池系统，爬比较陡峭的坡时，一般爬不上去，而对于外加了超级电容器的混合系统而言，爬坡性能比较良好，这充分证明了超级电容器的大功率的特性。为以后非对称电容器在电动汽车上的应用打下了坚实的基础。
获奖情况及鉴定结果
- 作品于2010年获得兰州理工大学立项基金。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术入股的方式
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片、视频
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
- 本项目以本实验室的资源和长期的工作为基础，利用简单易行的方法研制出了一种低成本、轻质且高效的能源存储设备：微型超级电容器。该电容器的最大优点就是具有快充慢放的性能，充电几分钟，就可以实现放电几十分钟的优异性能，也改善电化学电容器在功率特性和能量特性方面的不足。在此基础之上，我们可以制备出比较大型的高容量的超级电容器，有望应用于电动车等大型设备，不但降低了成本，解决了目前电动车因为价格高的尴尬局面，也使得我们的环保事业更进一步，所以，我们认为，这种微型的超级电容器可以带我们进入一个新的时代。
同类课题研究水平概述
- 世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建立在化石能源基础之上的一种经济。若化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突加剧，最终葬送现代市场经济。因此，大力发展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代生化资源，不仅是出于生存的原因；而且是世界经济可获得持续的发展必然。新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所用到的关键材料，是发展新能源的核心和基础。 由于超级电容器具有优异的储能，一问世便受到人们的重视，已成功地运用到很多领域，并且其应用范围还在不断扩大，其中最为令人瞩目的应用是作为电动车辆驱动电源和功率单元。随着研究热潮的出现，超级电容器的市场也在不断膨胀。近年来，双电层电容器的年销售额都保持在1000万美元以上，并且逐年稳步增长，到1997年其年销售额已经超过1.3亿美元。随着其需求量的不断增大，超级电容器的年产值正以20 %的速度递增，具有相当广阔的市场前景。随着制备技术的提高和性能的不断改善，超级电容器以其大容量、高功率密度、大电流、多次充放电等性能，在消费电子、通讯、医疗器械、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。现将主要应用范围举例如下，目前已经开发的超级电容器，根据放电量、放电时间、工作电压以及电容量，主要用作后备、替换和主电源三类： （1）作后备电源：目前超级电容器应用较广的领域在电子产品领域，主要是充当存储器、电脑、计时器等的后备电源。 （2）作替换电源：由于具有充放电次数高、寿命长、使用温度范围宽、循环效率高以及低自放电等特点，故很适合如白昼—黑夜转换的场合应用。 （3）作主电源：通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流放电之后，超级电容器再由低功率的电源充电。 超级电容器也可代替锂电池应用于智能水表，从而保障了水阀关断的可靠性，在外接电池电量不足时,仍能利用存储在超大容量电容器上的能量将水阀关断。如果电池电量不足，用户可以随时更换，这样，不仅使电路设计简化，减少产品的出厂检验工序，还使产品的成本降低。另外，在军事方面，很多装备还必须与超大容量电容器组合才能构成“致密型超高功率脉冲电源”，通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整，使脉冲电起飞加速器、电弧喷气式推进器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的功率状态。
