重点培育项目建议书

重点培育项目建议书

所属领域：能源与动力工程

项目类别：国家科技支撑计划

项目名称：高比能超级电容电池致密能源器件基础问题与关键技术培育期限：2016年 - 2018年

所在单位：能源科学与工程学院

电子科技大学

一、立项依据

从《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、《国家“十二五”科学技术发展规划》、《“十二五”先进能源技术领域发展战略研究报告》、《中国制造2025规划纲要》中可以看出，节能和能源的高效清洁开发、转化和利用技术，被认为是经济、社会可持续发展的重要支撑条件。动力与能源装置是保障国防与工业建设的根本，也是先进武器装备开发的基础条件。

在工业经济与民用方面，高比能量、高比功率、无污染、长寿命可充/放电二次电池，在个人电子产品、信息技术、家电产品、车辆动力的重要地位已普遍为人们意识，并受到各国政府的高度重视。目前高功率的超级电容器的应用领域不断被扩展，用于CMOS动/静态存储器的备用电源、通讯电子行业产品的备用电源等无线通讯—GSM手机通讯时脉冲电源、数据通讯设备、移动电脑--手提数据终端、PDA、使用微处理器的手提设备、智能水表、电表、远程载波抄表、电焊机、X-光机、充磁机、无线报警系统、电磁阀、电子门锁、脉冲电源、UPS、电动工具、汽车辅助系统、汽车启动设备、电子玩具、无线电话、电热水瓶、照相机闪光灯系统、助听器、消费电子—音响、视频和其它电子产品断电时须用记忆保持电路的信息技术产品等。对于高能量密度的二次可充电电池（如锂离子电池）而言，在不断设法提高其能量密度的同时，功率密度低更是一个卡脖子难题。因此，获取高功率密度、快速充/放电可能性及延长循环寿命自然就成为了电池发展的目标。与电池相比，超级电容器具有高的功率密度、放电深度与充放电特性好，这时由于电容器中的电荷存储于电极表面区域。类似地，提高电容器的能量密度成为其主要的发展方向。

在军事应用方面，目前广泛应用军事装备和武器系统的电池，如锂离子和镍氢等可提供可靠的能源储存方案, 但仍存在使用寿命短、充电时间长、倍率特性低、环境温度敏感等不足，因此，未来的主要发展方向是长寿命、高安全性、高比能、高功率特性、高环境适应性的新型电化学储能技术，符合未来军事装备和武器系统电池技术的发展趋势和应用需求。电池是现代军事装备和武器的动力源之一。高功率卫星是我国当前和以后军用卫星发展的主要方向，其中高功率型雷达卫星负载一般都以短脉冲的形式工作，具有一定的重复频率及较短的脉冲长度，由于负载的脉动特性和高功率需求，需要储能电源有非常好的脉冲放电特性和高比功率。高比能量的超级电容可以顺利承担

负载开机时产生的瞬间浪涌电流，避免普通二次电池在负载开机时产生浪涌电流时瞬间电压大幅度下降而放不出电的情况，从而提高供电质量，更好地满足下一代高功率卫星的工作需要。因此研制具有高比能量、高比功率、长循环寿命的超级电容是高功率型卫星研制的关键技术，可提升我国各种大功率卫星平台、雷达卫星平台等储能电源系统的综合性能。高强度、高能量的激光束发射是激光武器、定向能武器系统的关键，激光发射时瞬间脉冲能量值很高，在多个大功率激光模块同时工作时，现行电网难以承担高能量负荷，但改造电网又面临工程、成本、电能有效利用等多方面的问题。因此，需要高电压、高脉冲放电的初级储能系统作为大功率激光器的辅助电源以缓解电网负荷和有效利用电能，高容量、高功率、低内阻的超级电容器对于保障激光武器、微波武器的正常服役具有非常重要的支撑作用。

总的说来，我国在电化学储能技术领域面临严峻的形势，一方面，我国国防军工和空间技术领域对高性能电化学储能电池存在重大急迫需求，我国电化学储能技术水平与美、欧等西方发达国家和地区差距较大，研究基础薄弱，核心技术积累不足，无法对我国新一代武器装备和航天飞行器提供有效支撑。另一方面，电子、通讯、仪表等相关产业的信息化、智能化对高效能源技术提出了更高的要求，目前配备的传统能源系统已经不能满足大功率、高能量的要求。特别是，作为电动汽车“三电”核心技术的电池技术是严重阻碍整车技术和产品性能提升的关键环节。

本项目拟开展基于超级电容与锂离子电池的高比能复合致密能源器件的储能机制和关键技术研究，旨在对能量密度和功率密度可调谐性进行深入的研究分析，以期对电荷存储的机制有新的认识，发现新规律，提出新原理，并深入研究功率密度和能量密度连续可调式高性能的电极材料体系、配方融合技术，获得高能量密度、高功率密度的致密能源器件的创新工艺技术，取得具有自主知识产权的高比能超级电容电池技术，对我国未来储能技术的理论和方法、致密能源器件技术的提升，及与相关系统、整机性能的提升具有重要的现实意义。

尽管本项目研究是针对锂离子电池与超级电容的复合器件，然而这一构想，可以扩展到各种二次电池与超级电容的复合，诸如：铅酸蓄电池/阀控式密封铅酸蓄电池、碱性Ni基蓄电池等，该复合致密能源器件从尺度上讲，可以辐射到微能源（薄膜型）、个人电子（如移动电话）用电源、高功率卫星载电源及电动车辆混合电源系统。毫无

疑问，对于这些典型应用的基础与应用基础研究、产业化开发与应用将成为本项目丰富的后续研究主题。可见，本项目具有深远的研究意义与广泛的应用前景。

二、国内外研究现状和发展趋势

超级电容器是一种具有超大容量、能高功率密度放电（可输出数百安培的电流）、短充电时间、超长使用寿命、工作温度范围宽，同时具有较高能量密度的新型储能器件，它是一种介于电池与静电电容器之间的“新概念器件”，与传统静电电容器具有类似的宏观特性，但工作机理恰不相同。传统静电电容器是通过介质极化储存电荷，而超级电容器则是通过电解质中离子的迁移，致使电极/电解质表面产生离子和电子定向排列，从而形成异号双电荷层的对峙。由于对峙电荷层层间距离极小（～1nm），活性电极比表面积极大（>1000m2/g），所以理论比电容可达每克数百法拉量值，这就是采用大表面的碳材料（活性碳）作为电极的双电层型超级电容器。显而易见，依靠双电层原理在材料表面区间存储电荷，其能量密度仍然有限。而金属氧化物（或导电高分子）电极的法拉第类电池反应，在向深度方向的准二维区间存储电荷，其电容量高出双电层型超级电容器1-2个数量级以上，可获得更高的能量密度。这种超级电容器被称为“膺电容器”。由于超级电容器的重要地位，国际上美国MAXWELL、COOPER、日本PANASONIC、HITACHI、SONY、ELNA、MURUTA等公司、俄罗斯科学院技术支撑的ESMA公司以及韩国NUINTEK等都着力进行研究，以积极争取早日占领国际市场。据报道，国内1449所、电子科技大学、清华大学、哈工大、18所、中科院成都分院、哈尔滨巨容集团、上海市奥威公司等单位相继开展相关研究开发工作。

显而易见，理想的能量存储器件应当兼具电池与电容的优点，即：既具有高的能量密度（满足设备时间长工作的需求），同时又具有高的功率密度（满足设备高电流、高功率操作的需求）。从原理上看，这似乎是一个相互矛盾的两难问题。因为高的能量密度要求活性电极厚度足够大，而获取高功率密度则需要活性电极箔尽量薄。事实上，尽管电池的电极存储了足够的能量但不能在短时间（即大电流）被转换应用；电容能大电流放电但因为储存的能量有限而持续时间很短。因为电池是在三维区间存储电荷，所以能量密度高，但从三维区间提