"双离子插层"电容器的设计及电化学性能研究

电化学电容器作为一种新型的绿色储能装置，具有高功率和长寿命等突出的优点，但能量密度远低于二次电池的致命缺陷已限制了其在电动汽车、混合电动汽车和高性能功率电源领域的应用。本申请在分析炭电极材料双电层储能和石墨-锂离子插层储能机理的基础上，提出两个炭电极均采用具有"插层"特性炭材料的"双离子插层"电容器。本项目拟在已有工作的基础上，重点研究正极炭材料结构、正负极配置、石墨负极的锂离子预掺杂、有机电解液的种类及充放电条件等对储能性能、动力学性能和循环性能的影响，最终实现4.0V的单体工作电压和15～20 Wh/kg的能量密度及数万次以上的循环性能。本项目的实施有望为新型炭电极材料和电容器的设计与开发提供新的思路和借鉴，并在提高电化学电容器的能量密度、功率密度及循环性能等方面取得突破，为高比能电化学电容器的实用化开发奠定基础。

电化学电容器作为一种新型的绿色储能装置，具有高功率和长寿命等突出的优点，但能量密度远低于二次电池的致命缺陷已限制了其在电动汽车、混合电动汽车和高性能功率电源领域的应用。本团队在分析炭电极材料双电层储能和石墨-锂离子插层储能机理的基础上，提出并实现了两个炭电极均采用具有“插层”特性炭材料的“双离子插层”电容器。“双离子插层”电容器本质上属于混合电容器的一种，但其重要的特征是正极和负极在储存能量时以“离子插层”的方式实现。“双离子插层”电容器是电化学电容器（双电层储能）和锂离子电池（插层化合物储能）的有机的融合，其设计思想区别于以往双电层储能和插层化合物储能理论，必将为丰富储能理论、高性能炭电极材料和电容器的开发提供新的思路和借鉴，具有较高的研究价值和学术价值。而且，还具有十分重要的应用价值。. 本项目拟在已有工作的基础上，主要通过调节正极炭材料结构、正负极质量配比、石墨负极的锂离子预掺杂、有机电解液的优化等内容，实现并完善了“双离子插层”电容器的结构与性能。主要取得的成果如下：1.在系统研究新型微晶炭制备技术的基础上，提出了微晶炭的"三级"储能机理与储能模型；2.对石墨负极的预嵌锂控制是保证“双离子插层”电容器具有优异电容性能的关键；通过对石墨负极的预嵌锂处理，能够极大地降低石墨负极电势而将电容器的整体工作电压提高到≥4.0V，能量密度提高到≥20Wh/kg，而且极大提高了电容器的循环性能；3.选择适当的正负极质量配比和有机电解液，实现了保持高能量密度的同时具有高的功率密度。4.以本项目技术为基础，成功申报并获批国家863项目一项，并正在天津力神电池有限公司实施中试。5.研究成果为混合型非对称电容器的设计提供了理论指导和实验依据，为高比能电化学电容器的实用化开发奠定了基础。