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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能器件，擁有比功率大、充放電效率高，壽命長等優(yōu)點，在低碳經濟時代展現(xiàn)出巨大應用前景，已經被廣泛應用于電子產品、電動汽車、混合電動汽車、無線通訊設施、信號監(jiān)控、太陽能及風力發(fā)電等領域。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，對其儲能性能有著至關重要的影響，而具有高理論容量、低價格的過渡金屬基化合物（Fe、Co、Ni）是實現(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，對其組分及結構進行了調控，通過儲能性能測試及儲能機理分析，為開發(fā)高性能、低成本的活性電極材料提供實驗依據(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驗室走向我們的日常生活帶來了新的前景。1. 先進性及產業(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是重點，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)改進現(xiàn)有的電極材料;(2)開發(fā)新型電極材料；(3)改進生產工藝，實現(xiàn)低成本化。目前在全球范圍內達到工業(yè)化生產水平的超級電容器基本都是以雙電層為儲能機制的活性碳基超級電容器，而以贋電容為儲能機制的超級電容器尚處于實驗室開發(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)和關聯(lián)產業(yè)發(fā)展和轉型升級的影響：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。當主電源發(fā)生故障而不能正常使用時，超級電容器便起到后備補充作用，它具有壽命長、充放電快和環(huán)境適應性強等優(yōu)點。當用作替換電源時，主要應用于對環(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，主要利用超級電容的大功率密度，一般是一tin個或幾個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，2014年超級電容器全球市場規(guī)模為11 億美元，預計到2018年，超級電容器全球市場規(guī)模將達到32億美元，年復合增長率為31%,并預測將會以此速度預計到2018年，超級電容器全球市場規(guī)模將達到32億美元，年復合增長率為31%,并預測將會以此速度繼續(xù)增長。我國將“超級電容器關鍵材料的研究和制備技術"列入到《國家中長期科學和技術發(fā)展綱要(2006-2020年)》，作為能源領域中的前沿技術之一。有數(shù)據(jù)顯示， 2015年國內超電市場規(guī)模已經超過了 70億元，因此，在這樣的一個大背景下，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 2021-04-11

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