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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(chǔ)能器件，擁有比功率大、充放電效率高，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)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(dòng)汽車、混合電動(dòng)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(chǔ)能性能有著至關(guān)重要的影響，而具有高理論容量、低價(jià)格的過渡金屬基化合物（Fe、Co、Ni）是實(shí)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(chǔ)能性能測試及儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(shí)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(chǔ)能機(jī)制的活性碳基超級電容器，而以贋電容為儲(chǔ)能機(jī)制的超級電容器尚處于實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(diǎn)。當(dāng)用作替換電源時(shí)，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(shí)，主要利用超級電容的大功率密度，一般是一tin個(gè)或幾個(gè)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(jì)，2014年超級電容器全球市場規(guī)模為11 億美元，預(yù)計(jì)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(huì)以此速度預(yù)計(jì)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(huì)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(gè)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

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