高比能超級(jí)電容電池致密能源器件基礎(chǔ)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目建議書

重點(diǎn)培育項(xiàng)目建議書所屬領(lǐng)域：能源與動(dòng)力工程項(xiàng)目類別：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目名稱：高比能超級(jí)電容電池致密能源器件基礎(chǔ)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)培育期限：2016年-2018年所在單位：能源科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)目錄TOC\o"1-2"\p""\h\z\u第一章總論 11.1項(xiàng)目概況 11.2研究依據(jù)及范圍 21.3結(jié)論 31.4建議 4第二章項(xiàng)目建設(shè)的背景和必要性 52.1項(xiàng)目建設(shè)的背景 62.2項(xiàng)目建設(shè)的必要性 7第三章項(xiàng)目服務(wù)需求分析 9第四章項(xiàng)目選址與建設(shè)條件 114.1選址原則 114.2項(xiàng)目選址 114.3建設(shè)條件 12第五章建設(shè)方案與設(shè)計(jì) 125.1建設(shè)規(guī)模與內(nèi)容 125.2總體規(guī)劃設(shè)計(jì) 135.3結(jié)構(gòu)方案 185.4主要配套設(shè)備 195.5給水工程 205.6排水工程 225.7電氣設(shè)計(jì) 235.8節(jié)能設(shè)計(jì) 26第六章項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度和招投標(biāo)管理 296.1

項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度 296.2招投標(biāo)管理 31第七章環(huán)境影響分析 317.1項(xiàng)目主要污染源分析 327.2環(huán)境保護(hù)措施及治理效果 35第八章消防、安全與衛(wèi)生防護(hù) 378.1消防 378.2

勞動(dòng)安全 388.3

衛(wèi)生防護(hù) 39第九章組織機(jī)構(gòu)、運(yùn)作方式與項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度 399.1

項(xiàng)目建設(shè)組織機(jī)構(gòu) 399.2項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)組織機(jī)構(gòu) 419.3勞動(dòng)定員 42第十章投資估算和資金籌措 4210.1投資估算 4310.2

項(xiàng)目所需流動(dòng)資金 4910.3資金籌措 49第十一章

經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益評(píng)價(jià) 5011.1經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià) 5011.2社會(huì)效益評(píng)價(jià) 50第十二章結(jié)論 5012.1主要結(jié)論 5012.2建議 51附錄：1、****發(fā)改局《關(guān)于*******遷建工程項(xiàng)目建議書的批復(fù)》2、****村鎮(zhèn)建設(shè)管理所《*******遷建項(xiàng)目用地紅線》一、立項(xiàng)依據(jù)從《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》、《國(guó)家“十二五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》、《“十二五”先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告》、《中國(guó)制造2025規(guī)劃綱要》中可以看出，節(jié)能和能源的高效清潔開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐條件。動(dòng)力與能源裝置是保障國(guó)防與工業(yè)建設(shè)的根本，也是先進(jìn)武器裝備開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)條件。在工業(yè)經(jīng)濟(jì)與民用方面，高比能量、高比功率、無(wú)污染、長(zhǎng)壽命可充/放電二次電池，在個(gè)人電子產(chǎn)品、信息技術(shù)、家電產(chǎn)品、車輛動(dòng)力的重要地位已普遍為人們意識(shí)，并受到各國(guó)政府的高度重視。目前高功率的超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷被擴(kuò)展，用于CMOS動(dòng)/靜態(tài)存儲(chǔ)器的備用電源、通訊電子行業(yè)產(chǎn)品的備用電源等無(wú)線通訊—GSM手機(jī)通訊時(shí)脈沖電源、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、移動(dòng)電腦--手提數(shù)據(jù)終端、PDA、使用微處理器的手提設(shè)備、智能水表、電表、遠(yuǎn)程載波抄表、電焊機(jī)、X-光機(jī)、充磁機(jī)、無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)、電磁閥、電子門鎖、脈沖電源、UPS、電動(dòng)工具、汽車輔助系統(tǒng)、汽車啟動(dòng)設(shè)備、電子玩具、無(wú)線電話、電熱水瓶、照相機(jī)閃光燈系統(tǒng)、助聽(tīng)器、消費(fèi)電子—音響、視頻和其它電子產(chǎn)品斷電時(shí)須用記憶保持電路的信息技術(shù)產(chǎn)品等。對(duì)于高能量密度的二次可充電電池（如鋰離子電池）而言，在不斷設(shè)法提高其能量密度的同時(shí)，功率密度低更是一個(gè)卡脖子難題。因此，獲取高功率密度、快速充/放電可能性及延長(zhǎng)循環(huán)壽命自然就成為了電池發(fā)展的目標(biāo)。與電池相比，超級(jí)電容器具有高的功率密度、放電深度與充放電特性好，這時(shí)由于電容器中的電荷存儲(chǔ)于電極表面區(qū)域。類似地，提高電容器的能量密度成為其主要的發(fā)展方向。在軍事應(yīng)用方面，目前廣泛應(yīng)用軍事裝備和武器系統(tǒng)的電池，如鋰離子和鎳氫等可提供可靠的能源儲(chǔ)存方案,但仍存在使用壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)、倍率特性低、環(huán)境溫度敏感等不足，因此，未來(lái)的主要發(fā)展方向是長(zhǎng)壽命、高安全性、高比能、高功率特性、高環(huán)境適應(yīng)性的新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，符合未來(lái)軍事裝備和武器系統(tǒng)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用需求。電池是現(xiàn)代軍事裝備和武器的動(dòng)力源之一。高功率衛(wèi)星是我國(guó)當(dāng)前和以后軍用衛(wèi)星發(fā)展的主要方向，其中高功率型雷達(dá)衛(wèi)星負(fù)載一般都以短脈沖的形式工作，具有一定的重復(fù)頻率及較短的脈沖長(zhǎng)度，由于負(fù)載的脈動(dòng)特性和高功率需求，需要儲(chǔ)能電源有非常好的脈沖放電特性和高比功率。高比能量的超級(jí)電容可以順利承擔(dān)負(fù)載開(kāi)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的瞬間浪涌電流，避免普通二次電池在負(fù)載開(kāi)機(jī)時(shí)產(chǎn)生浪涌電流時(shí)瞬間電壓大幅度下降而放不出電的情況，從而提高供電質(zhì)量，更好地滿足下一代高功率衛(wèi)星的工作需要。因此研制具有高比能量、高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命的超級(jí)電容是高功率型衛(wèi)星研制的關(guān)鍵技術(shù)，可提升我國(guó)各種大功率衛(wèi)星平臺(tái)、雷達(dá)衛(wèi)星平臺(tái)等儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的綜合性能。高強(qiáng)度、高能量的激光束發(fā)射是激光武器、定向能武器系統(tǒng)的關(guān)鍵，激光發(fā)射時(shí)瞬間脈沖能量值很高，在多個(gè)大功率激光模塊同時(shí)工作時(shí)，現(xiàn)行電網(wǎng)難以承擔(dān)高能量負(fù)荷，但改造電網(wǎng)又面臨工程、成本、電能有效利用等多方面的問(wèn)題。因此，需要高電壓、高脈沖放電的初級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為大功率激光器的輔助電源以緩解電網(wǎng)負(fù)荷和有效利用電能，高容量、高功率、低內(nèi)阻的超級(jí)電容器對(duì)于保障激光武器、微波武器的正常服役具有非常重要的支撐作用?？偟恼f(shuō)來(lái)，我國(guó)在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域面臨嚴(yán)峻的形勢(shì)，一方面，我國(guó)國(guó)防軍工和空間技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈娀瘜W(xué)儲(chǔ)能電池存在重大急迫需求，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)水平與美、歐等西方發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)差距較大，研究基礎(chǔ)薄弱，核心技術(shù)積累不足，無(wú)法對(duì)我國(guó)新一代武器裝備和航天飛行器提供有效支撐。另一方面，電子、通訊、儀表等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的信息化、智能化對(duì)高效能源技術(shù)提出了更高的要求，目前配備的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足大功率、高能量的要求。特別是，作為電動(dòng)汽車“三電”核心技術(shù)的電池技術(shù)是嚴(yán)重阻礙整車技術(shù)和產(chǎn)品性能提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目擬開(kāi)展基于超級(jí)電容與鋰離子電池的高比能復(fù)合致密能源器件的儲(chǔ)能機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)研究，旨在對(duì)能量密度和功率密度可調(diào)諧性進(jìn)行深入的研究分析，以期對(duì)電荷存儲(chǔ)的機(jī)制有新的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，提出新原理，并深入研究功率密度和能量密度連續(xù)可調(diào)式高性能的電極材料體系、配方融合技術(shù)，獲得高能量密度、高功率密度的致密能源器件的創(chuàng)新工藝技術(shù)，取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高比能超級(jí)電容電池技術(shù)，對(duì)我國(guó)未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的理論和方法、致密能源器件技術(shù)的提升，及與相關(guān)系統(tǒng)、整機(jī)性能的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。盡管本項(xiàng)目研究是針對(duì)鋰離子電池與超級(jí)電容的復(fù)合器件，然而這一構(gòu)想，可以擴(kuò)展到各種二次電池與超級(jí)電容的復(fù)合，諸如：鉛酸蓄電池/閥控式密封鉛酸蓄電池、堿性Ni基蓄電池等，該復(fù)合致密能源器件從尺度上講，可以輻射到微能源（薄膜型）、個(gè)人電子（如移動(dòng)電話）用電源、高功率衛(wèi)星載電源及電動(dòng)車輛混合電源系統(tǒng)。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于這些典型應(yīng)用的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將成為本項(xiàng)目豐富的后續(xù)研究主題。可見(jiàn)，本項(xiàng)目具有深遠(yuǎn)的研究意義與廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)超級(jí)電容器是一種具有超大容量、能高功率密度放電（可輸出數(shù)百安培的電流）、短充電時(shí)間、超長(zhǎng)使用壽命、工作溫度范圍寬，同時(shí)具有較高能量密度的新型儲(chǔ)能器件，它是一種介于電池與靜電電容器之間的“新概念器件”，與傳統(tǒng)靜電電容器具有類似的宏觀特性，但工作機(jī)理恰不相同。傳統(tǒng)靜電電容器是通過(guò)介質(zhì)極化儲(chǔ)存電荷，而超級(jí)電容器則是通過(guò)電解質(zhì)中離子的遷移，致使電極/電解質(zhì)表面產(chǎn)生離子和電子定向排列，從而形成異號(hào)雙電荷層的對(duì)峙。由于對(duì)峙電荷層層間距離極?。ā?nm），活性電極比表面積極大（>1000m2/g），所以理論比電容可達(dá)每克數(shù)百法拉量值，這就是采用大表面的碳材料（活性碳）作為電極的雙電層型超級(jí)電容器。顯而易見(jiàn)，依靠雙電層原理在材料表面區(qū)間存儲(chǔ)電荷，其能量密度仍然有限。而金屬氧化物（或?qū)щ姼叻肿樱╇姌O的法拉第類電池反應(yīng)，在向深度方向的準(zhǔn)二維區(qū)間存儲(chǔ)電荷，其電容量高出雙電層型超級(jí)電容器1-2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，可獲得更高的能量密度。這種超級(jí)電容器被稱為“膺電容器”。由于超級(jí)電容器的重要地位，國(guó)際上美國(guó)MAXWELL、COOPER、日本PANASONIC、HITACHI、SONY、ELNA、MURUTA等公司、俄羅斯科學(xué)院技術(shù)支撐的ESMA公司以及韓國(guó)NUINTEK等都著力進(jìn)行研究，以積極爭(zhēng)取早日占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)1449所、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、哈工大、18所、中科院成都分院、哈爾濱巨容集團(tuán)、上海市奧威公司等單位相繼開(kāi)展相關(guān)研究開(kāi)發(fā)工作。顯而易見(jiàn)，理想的能量存儲(chǔ)器件應(yīng)當(dāng)兼具電池與電容的優(yōu)點(diǎn)，即：既具有高的能量密度（滿足設(shè)備時(shí)間長(zhǎng)工作的需求），同時(shí)又具有高的功率密度（滿足設(shè)備高電流、高功率操作的需求）。從原理上看，這似乎是一個(gè)相互矛盾的兩難問(wèn)題。因?yàn)楦叩哪芰棵芏纫蠡钚噪姌O厚度足夠大，而獲取高功率密度則需要活性電極箔盡量薄。事實(shí)上，盡管電池的電極存儲(chǔ)了足夠的能量但不能在短時(shí)間（即大電流）被轉(zhuǎn)換應(yīng)用；電容能大電流放電但因?yàn)閮?chǔ)存的能量有限而持續(xù)時(shí)間很短。因?yàn)殡姵厥窃谌S區(qū)間存儲(chǔ)電荷，所以能量密度高，但從三維區(qū)間提取電荷的速度受限，所以功率密度低。在高性能的能量存儲(chǔ)器件研究方面，人們進(jìn)行了不斷的嘗試，在不影響超級(jí)電容的功率密度前提下提高超級(jí)電容的能量密度。一種方法是采用非水電解質(zhì)來(lái)擴(kuò)展工作電壓（一般是2.5V），從而增加存儲(chǔ)能量；另外一種方式是采用導(dǎo)電聚合物，可以達(dá)到2.5V，但其穩(wěn)定性及價(jià)格是致命問(wèn)題。由于贗電容電極不僅提供表面電荷存儲(chǔ)，而且提供體相的電荷存儲(chǔ)，也是一種措施，目前采用水合氧化釕電極其能量密度比活性碳電極提高約2倍，但貴金屬釕的應(yīng)用限制了這種超級(jí)電容的推廣。因此，賤金屬氧化物、氮化物及硫化物作為釕基電極的取代也被廣泛研究，但仍然需要水性電解質(zhì)，而且其穩(wěn)定工作電壓為0.6-0.8V，大大降低了能量與功率密度。而俄羅斯ESMA公司采用不對(duì)稱電極系統(tǒng)來(lái)組裝氧化鎳（正極）/活性碳（負(fù)極）混合型超級(jí)電容器（U.S.Pat.No.5,986,876），在兩個(gè)電極上進(jìn)行電荷存儲(chǔ)的機(jī)制不同，擴(kuò)展了其應(yīng)用電壓（可到1.7-1.8V），比對(duì)應(yīng)碳基對(duì)稱電容器的能量密度提高約8倍，目前得到了廣泛應(yīng)用。然而，ESMA公司獨(dú)有的這種超級(jí)電容對(duì)能量密度的增加仍然不足，進(jìn)一步提高能量密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性與壽命是很有必要的。盡管可以通過(guò)單體串并聯(lián)的方式來(lái)獲得高電壓與高容量，從而獲得高能量密度與高功率密度，但是對(duì)器件單體的匹配一致性與可靠性的要求變得尤為突出。如果出現(xiàn)不容忽視的匹配問(wèn)題，就會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)器件的性能。值得重視的是，在電動(dòng)車輛用混合能源系統(tǒng)需求的驅(qū)使下，人們企圖將電池與電容混合在一起，設(shè)計(jì)、研究一種更高性能的致密能源器件。Drews等創(chuàng)新性地采用雙池系統(tǒng)的電池設(shè)計(jì)概念，提高Li/MnO2電池的功率密度，并申報(bào)了一系列專利：U.S.Pat.4959281,6088217,6222723,及6252762。2002年，加州大學(xué)伯克利分校的Amatucci等報(bào)道了另外一種非對(duì)稱復(fù)合能量存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12/Poly(fluorophenylthiophene)。正如他們?cè)趯＠║.S.Pat.No.6,222,723）中指出，該不對(duì)稱超級(jí)電容的能量密度增加6倍，該器件具有電池?fù)碛械牡湫碗妷浩脚_(tái)與自放電特性，循環(huán)特性則介于電池與超級(jí)電容之間（約數(shù)千次）。近幾年來(lái)，國(guó)際上，特別是Amatucci等在美國(guó)能源部的資助下，針對(duì)電動(dòng)車輛用能源系統(tǒng)的需要，對(duì)這一結(jié)構(gòu)開(kāi)展了深入的研究，獲得了可喜的成績(jī)。然而，Li4Ti5O12的電導(dǎo)率不高，導(dǎo)致電池系統(tǒng)的內(nèi)阻難以進(jìn)一步降低，從而限制了器件的高功率輸出。如何提高Li4Ti5O12電極的電導(dǎo)率是具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值的研究主題。為了提高鉛酸電池功率密度和壽命，2008以來(lái)，L.T.Lam博士及日本古河電池的研發(fā)人員，就鉛炭超級(jí)電容電池研究和應(yīng)用發(fā)表了一系列的研究成果，在國(guó)際上掀起了鉛炭電池的研究熱潮。日本古河電池公司獲得澳大利亞CSRIO的專利授權(quán)，開(kāi)始超級(jí)電容電池的研究和商業(yè)化開(kāi)發(fā)工作，美國(guó)東賓公司獲得澳大利亞CSRIO的專利授權(quán)制造鉛炭電池，受到奧巴馬政府的資助，技術(shù)應(yīng)用于美國(guó)陸軍，并將產(chǎn)品應(yīng)用于微混和中度混合電動(dòng)車以及光伏儲(chǔ)能的研究。同時(shí)美國(guó)Axion通過(guò)購(gòu)買了加拿大C&T公司的專利技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)能型鉛碳超級(jí)電容電池的研究工作，成為鉛碳超級(jí)電容電池研制的重要參與者。AxionPower開(kāi)發(fā)的鉛炭超級(jí)電容電池也是超級(jí)蓄電池技術(shù)發(fā)展的重要一步。開(kāi)發(fā)高功率密度、高能量密度超級(jí)電容電池的關(guān)鍵是研制綜合性能優(yōu)良的電極材料。理想的超級(jí)電容器電極材料應(yīng)該具有足夠高的電導(dǎo)率、高比表面積，足夠大的離子嵌入量和優(yōu)良的離子脫出/嵌入可逆性，以保證電容器的超大比容量/比功率、低等效串聯(lián)電阻和長(zhǎng)循環(huán)壽命的要求。在對(duì)活性碳粉末、活化碳纖維、碳納米管研究基礎(chǔ)上，人們?cè)捎镁哂汹I電容效應(yīng)的導(dǎo)電聚合物、過(guò)渡金屬氧化物作為高容量電極材料進(jìn)行研究，以獲得更大比電容的同時(shí)提高比能量。然而，導(dǎo)電聚合物機(jī)械性能較差、導(dǎo)電性有限，長(zhǎng)期存儲(chǔ)穩(wěn)定性不好；過(guò)渡金屬氧化物中除貴金屬氧化物RuO2、IrO2外，過(guò)渡賤金屬（如Mn等）氧化物的導(dǎo)電性能不高，從而大大限制了這類電極材料制作的電容器的功率特性。因此，人們采用了機(jī)械混合的方式將活性碳、乙炔碳黑或碳納米管與過(guò)渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飶?fù)合來(lái)制備超級(jí)電容器的電極材料，其性能得到一定的提高。近來(lái)，日本電子利用高分辨透射電子顯微鏡對(duì)超級(jí)電容器的電極材料——活性碳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，逐漸掌握了活性碳內(nèi)部發(fā)生的各種現(xiàn)象之后，于2010年10月發(fā)布的超級(jí)電容器技術(shù)在該領(lǐng)域內(nèi)引起了極大的關(guān)注，其質(zhì)量比能量高達(dá)原來(lái)雙電層電容器的5～10倍，這一結(jié)果引起人們對(duì)電化學(xué)活性材料微結(jié)構(gòu)研究的重視，以期增加功率密度的同時(shí)，大大提高能量密度。采用傳統(tǒng)的方式制備電化學(xué)儲(chǔ)能器件時(shí)，往往需要加入導(dǎo)電相(10wt%~20wt%)來(lái)彌補(bǔ)電化學(xué)活性材料在導(dǎo)電性方面的不足，當(dāng)然以犧牲活性材料在電極上的負(fù)載率為代價(jià)。其中，如何有效形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（達(dá)到合適的導(dǎo)電性能）而盡可能少加入無(wú)電化學(xué)活性（相對(duì)于電化學(xué)活性材料來(lái)說(shuō)）的導(dǎo)電相，仍然是具有深遠(yuǎn)的科學(xué)研究意義及極大工程應(yīng)用價(jià)值的課題。近年來(lái)有美國(guó)專利報(bào)道，在電導(dǎo)性較差的LiFePO4表面覆蓋一層導(dǎo)電性碳而改善其電池應(yīng)用性能，然而研究表明，此復(fù)合材料的電導(dǎo)性及電化學(xué)性能受碳的負(fù)載量十分敏感，因此需要“導(dǎo)電相部分附著”在活性材料表面，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這種操作相當(dāng)于將采用傳統(tǒng)方式加入的導(dǎo)電相的分散方式加以改變，使之有序化。相反地，將電化學(xué)活性材料分散在導(dǎo)電相表面形成復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)電性應(yīng)當(dāng)也是一種有效的途徑，而且特別適宜于超級(jí)電容器的應(yīng)用。從表觀上看，有人會(huì)懷疑導(dǎo)電相碳微粒被電化學(xué)活性物質(zhì)包裹在內(nèi)部，將難以起到提高導(dǎo)電性的目的。然而，與電池不同的是，超級(jí)電容器的電荷存儲(chǔ)電化學(xué)過(guò)程發(fā)生于電極表面（準(zhǔn)）二維區(qū)間，因此較多的薄膜型電化學(xué)活性材料能獲得較高的質(zhì)量比容，但遺憾的是，其活性物質(zhì)負(fù)載量低，導(dǎo)致器件的整體容量小得難以實(shí)用。在薄膜型電化學(xué)活性材料的利用率研究方面，人們探求的比容極限就是希望能充分利用其每個(gè)電化學(xué)活性原子，從而使比電容逼近其理論值。因此，如何將電化學(xué)活性過(guò)渡金屬氧化物可控地分散在高導(dǎo)電性碳材料表面上，形成有序的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，在增大電化學(xué)活性表面、提高電化學(xué)活性材料利用率的同時(shí)，保證復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)電性，這是值得深入研究的課題。顯然，原位化學(xué)復(fù)合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)成分、微結(jié)構(gòu)及界面調(diào)控的有效手段。2004年，項(xiàng)目申請(qǐng)人在國(guó)際上首次采用KMnO4作為氧化劑，在酸性條件下將石墨表面氧化，在石墨電極表面上原位沉積MnO2薄膜，并用于超級(jí)電容器的應(yīng)用。這種氧化還原沉積技術(shù)被證實(shí)是一種用于制備MnO2/碳納米復(fù)合材料的先進(jìn)手段，受到國(guó)際上該領(lǐng)域界的關(guān)注。其中，直接采用該技術(shù)制備MnO2/碳納米復(fù)合物的研究機(jī)構(gòu)主要有韓國(guó)Yonsei大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、廈門大學(xué)、美國(guó)華盛頓州的海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）等有關(guān)研究機(jī)構(gòu)，特別是美國(guó)的海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）在2007年NanoLetters第二期上報(bào)道了他們應(yīng)用該技術(shù)的研究成果。研究表明，在該體系中，碳材料表面的碳原子被強(qiáng)氧化性的KMnO4氧化而轉(zhuǎn)化為MnO2，實(shí)現(xiàn)了“類原子層沉積”的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也會(huì)在碳材料表面形成官能基（如-OH、-C=O、-COOH），使表面親水性提高，改善MnO2與碳基體的界面特性，降低接觸電阻，提高復(fù)合材料的綜合性能。實(shí)踐證明，利用強(qiáng)氧化性的物質(zhì)氧化作為導(dǎo)電相的碳材料（作為還原劑），將導(dǎo)電相的碳材料表面轉(zhuǎn)化為電化學(xué)活性的MnO2，能更有效地改善界面特性，提高電化學(xué)性能。為了解決目前所用的過(guò)渡賤金屬氧化物電子電導(dǎo)率的不足、電化學(xué)活性不理想等弊端，設(shè)計(jì)納米復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，改善其電學(xué)、電化學(xué)綜合性能?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著電極材料組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的深入，從原理出發(fā)設(shè)計(jì)、制備出各種結(jié)構(gòu)規(guī)整或摻雜復(fù)合的納米電極材料，將有效地提高儲(chǔ)能器件的綜合性能。通過(guò)超級(jí)電容與鋰離子電池的高比能復(fù)合致密能源器件的儲(chǔ)能機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)研究，旨在對(duì)能量密度和功率密度可調(diào)諧性進(jìn)行深入的研究分析，對(duì)電荷存儲(chǔ)的機(jī)制有新的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，提出新原理，并深入研究功率密度和能量密度連續(xù)可調(diào)式高性能的電極材料體系、配方融合技術(shù)，獲得高能量密度、高功率密度的致密能源器件的創(chuàng)新工藝技術(shù)。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，從電荷存儲(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)、致密能源器件工程技術(shù)問(wèn)題的解決等方面獲得高比能超級(jí)電容電池技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)我國(guó)未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的理論和方法、致密能源器件技術(shù)的提升，及與相關(guān)系統(tǒng)、整機(jī)性能的提升具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，為我國(guó)過(guò)渡賤金屬資源（如Ni、Co、V、Mn等）的高技術(shù)利用開(kāi)辟一條持續(xù)發(fā)展的道路，并推進(jìn)致密能源器件研究的自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和主要研究?jī)?nèi)容1、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題電荷存儲(chǔ)新機(jī)制探索在“電容式”二維電荷存儲(chǔ)和“電池式”三維電荷存儲(chǔ)的機(jī)制、邊界特性及“準(zhǔn)二維”或“準(zhǔn)三維”的條件和轉(zhuǎn)換機(jī)制，從而揭示出高功率密度和高能量密度的物理機(jī)制及與電極活性物質(zhì)的介觀特性的相關(guān)性。新型電極材料和新型電解質(zhì)體系及匹配機(jī)制研究新型電極材料成分、相結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)特性對(duì)功率密度和能量密度貢獻(xiàn)的敏感度，從電極過(guò)程熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面研究電荷存儲(chǔ)過(guò)程電極材料的變化及與電解質(zhì)體系的相關(guān)性，研究高比能電解質(zhì)體系的基本組成和性能增強(qiáng)型特種添加劑及作用機(jī)制。功率和儲(chǔ)能容量連續(xù)可調(diào)的機(jī)制與實(shí)現(xiàn)途徑研究電容單元與電池單元的內(nèi)在物理協(xié)同機(jī)制，從電極的配方組成、介觀特性等解析電荷存儲(chǔ)的“電容式”或“電池式”邊界條件及相互耦合規(guī)律、轉(zhuǎn)化條件，從而獲得實(shí)現(xiàn)功率和儲(chǔ)能容量連續(xù)可調(diào)的電極配方特性和工藝實(shí)現(xiàn)途徑。致密能源器件的可靠性封裝及老化機(jī)制從傳統(tǒng)的只測(cè)試電池靜態(tài)性能向關(guān)注電池使用過(guò)程分析及不同工況下的動(dòng)態(tài)特性，研究致密能源器件高可靠性應(yīng)用的設(shè)計(jì)與封裝，分析倍率條件下的熱、力、化、場(chǎng)等對(duì)器件性能影響及疲勞機(jī)制，從而研究可靠性封裝技術(shù)和器件老化機(jī)制。2、主要研究?jī)?nèi)容（1）高性能新型碳基納米材料的改性研究包括具有大的比表面積、高比容、合適的孔分布、高電導(dǎo)率和高密度的超級(jí)活性碳微球材料、碳纖維表面納米結(jié)構(gòu)化的活化改性、石墨烯功能化等，深入研究高性能新型碳基納米材料的特性、活化、功能化工藝條件對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能影響。鋰離子電池正極材料與高性能新型碳基納米材料介觀結(jié)構(gòu)調(diào)控在主流嵌鋰過(guò)渡賤金屬氧化物（如LiCoO2、LiCoxNi1-xO2、Li（Co,Ni,Mn）O2、VOx、LiFePO4等）中摻入高導(dǎo)電的碳材料（包括活化碳纖維、碳納米管、乙炔碳黑、石墨烯等）進(jìn)行改性，采用原位復(fù)合途徑形成過(guò)渡賤金屬氧化物均勻分散在碳材料表面的納米復(fù)合物，構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)電子電導(dǎo)性，改善過(guò)渡賤金屬氧化物與導(dǎo)電相及電極與集電極的界面特性，降低接觸電阻，降低等效串聯(lián)電阻，獲得較高的離子嵌/脫速率，較短的注入離子擴(kuò)散途徑，增強(qiáng)電極材料網(wǎng)絡(luò)空間離子、電子的傳輸性能，從而提高器件功率密度。研究工藝條件與納米復(fù)合材料的相組成、金屬氧化物的金屬離子價(jià)態(tài)與空間分布、微觀結(jié)構(gòu)、相界面行為等特性之間的關(guān)系；研究納米復(fù)合材料的電學(xué)、電化學(xué)性能對(duì)納米復(fù)合材料的組成（氧化物/碳的質(zhì)量、體積比）及空間分布、嵌鋰過(guò)渡賤金屬氧化物覆蓋率、微結(jié)構(gòu)與相界面的依賴關(guān)系；研究納米復(fù)合物的組成、理化特性（如表面形貌和微結(jié)構(gòu)、比表面積、孔尺寸及分布等）與電學(xué)、電化學(xué)性能的關(guān)系。（3）鋰離子電池負(fù)極材料與高性能新型碳基納米材料的介觀結(jié)構(gòu)調(diào)控采用原位復(fù)合途徑將過(guò)渡賤金屬氧化物（Li4Ti5O12、硅/碳復(fù)合物、SnO2等）均勻分散在大比表面積的碳微球（活性碳、超級(jí)活性碳）表面，增加電化學(xué)氧化還原活性位，提高活性材料的利用率，從而提高器件能量密度。研究工藝條件與納米復(fù)合材料的相組成、金屬氧化物的金屬離子價(jià)態(tài)與空間分布、微觀結(jié)構(gòu)、相界面行為等特性之間的關(guān)系；研究納米復(fù)合材料的電學(xué)、電化學(xué)性能對(duì)納米復(fù)合材料的組成（氧化物/碳的質(zhì)量、體積比）及空間分布、嵌鋰過(guò)渡賤金屬氧化物覆蓋率、微結(jié)構(gòu)與相界面的依賴關(guān)系；研究納米復(fù)合物的組成、理化特性（如表面形貌和微結(jié)構(gòu)、比表面積、孔尺寸及分布等）與電學(xué)、電化學(xué)性能的關(guān)系。（4）嵌鋰過(guò)渡賤金屬氧化物/碳納米復(fù)合物的電荷存儲(chǔ)機(jī)制研究從分子層面、介觀層次入手，揭示納米復(fù)合物的成分的空間效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)與界面效應(yīng)；研究典型的鋰離子電池（正極）/超級(jí)電容器（負(fù)極）的不對(duì)稱復(fù)合電化學(xué)電荷存儲(chǔ)機(jī)制、電極等效容量模型和等效阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，探討鋰離子電池與超級(jí)電容器系統(tǒng)協(xié)同作用的電極材料配伍規(guī)律。研究新型電解質(zhì)體系和高效封裝技術(shù)通過(guò)電極材料嵌/突鋰離子的相結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)等變化研究，對(duì)不同的電極體系研究有利用增強(qiáng)鋰離子存儲(chǔ)容量和離子傳輸速率的電解質(zhì)體系及電極/電解質(zhì)配伍體系；通過(guò)器件老化失效的測(cè)試分析與解剖研究，揭示器件老化失效機(jī)制，從而開(kāi)發(fā)出高效的器件封裝技術(shù)。研究高電壓?jiǎn)误w電池的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法與性能測(cè)試研究高離子導(dǎo)電率的有機(jī)電解質(zhì)組成及與電極的匹配特性；研究有效降低等效串聯(lián)電阻的電極集成技術(shù)及穩(wěn)定工藝條件；研究控制復(fù)合致密能源器件樣品性能一致性的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目圍繞新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)和軍用武器裝備的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)對(duì)高比功率、高比能量致密復(fù)合能源器件的需求，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地提出研究的鋰離子電池/超級(jí)電容復(fù)合致密能源器件能夠同時(shí)具有高比能量和高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命特性，它填補(bǔ)了超級(jí)電容器和鋰二次電池的中間空白，將二者的優(yōu)點(diǎn)很好地結(jié)合起來(lái)，代表著致密能源器件的發(fā)展方向。本項(xiàng)目的主要技術(shù)指標(biāo)為：納米復(fù)合電極比電容：＞120F/g；單體電容：0.05~300F；單體功率密度：1~10kW/kg；單體能量密度：30~120Wh/kg；最大放電倍率:10C~30C；單體耐壓：＞2.5V；單體電池內(nèi)阻：＜5.0m；工作溫度范圍：-25~60℃；循環(huán)壽命：＞2000（容量保持80％以上）本項(xiàng)目有望在電荷存儲(chǔ)新機(jī)制、新型電極材料和新型電解質(zhì)體系及匹配機(jī)制、功率和儲(chǔ)能容量連續(xù)可調(diào)的機(jī)制與實(shí)現(xiàn)途徑、致密能源器件的可靠性封裝及老化機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、理論認(rèn)識(shí)和工藝方法上獲得突破，獲得一系列的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，擬發(fā)表高水平的學(xué)術(shù)論文8-10篇（其中一區(qū)2-3篇，二區(qū)3-4篇），擬申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利3-4項(xiàng)，力爭(zhēng)申請(qǐng)并獲批省部級(jí)科技支撐計(jì)