科技成果

成果简介

超级电容器是一种新型绿色储能器件，拥有比功率大、充放电效率高，寿命长等优点，在低碳经济时代展现出巨大应用前景，已经被广泛应用于电子产品、电动汽车、混合电动汽车、无线通讯设施、信号监控、太阳能及风力发电等领域。开发具有高能量、高循环性和低成本的超级电容器是该领域未来重要研究之一。电极材料作为超级电容器的核心组成部分，对其储能性能有着至关重要的影响，而具有高理论容量、低价格的过渡金属基化合物（Fe、Co、Ni）是实现高容量、低成本超级电容器首选的电极材料。以过渡金属基化合物为主要研究对象，对其组分及结构进行了调控，通过储能性能测试及储能机理分析，为开发高性能、低成本的活性电极材料提供实验依据。这一研究的开展，给组装超高能量密度的超级电容器并使其从实验室走向我们的日常生活带来了新的前景。

关键技术

（1）电极材料的制备：超级电容器是介于电池和传统电容器之间的新型储能装置，虽然其具有很高的功率密度，但是相对于二次电池，超级电容器的能量密度较低，这对于其实际应用是一个很重要的限制因素，因此开发具有高比电容的正负极材料是这一新型储能器件能否进入人们实际生产生活的重要因素之一。

（2）端电压波动范围大：超级电容的端电压在充放电过程中会不断地上升或下降。因而，为了稳定电压，在工作中需要在超级电容与负载之间配置一个电压适配器，这将带来系统的结构复杂、成本上升和能量转化效率下降等问题。

（3）串并联问题：超级电容的能量密度较小，因此一般需要将超级电容器进行串并联组合后使用。由于器件参数的差异，会造成串联单体电容电压在工作过程中的不一致。因此，对于单体超级电容器的工艺参数的控制是该技术在实际应用时非常重要的一点。

创新点

（1）采用水热和离子交换两步法，可控制备了镍钴基-ⅥA族化合物，并揭示了比容量和倍率性能之间的关系。

（2）首次组装了NiCo S 纳米片//FeOOH纳米棒超级电容器原型器件，证实了正负极不同储能机理和容量的合理匹配对器件功率密度和能量密度的影响。

（3）首次理论分析了水热硫化Co O 得到的CoS比电容更高的原因，并成功组装了具有超高能量密度（80 Wh kg ）的超级电容器（^{CoS//nanoporous carbon}）。

市场及经济效益分析

1.行业及市场概述：随着社会经济的不断发展，能源与资源的短缺和环境污染等问题显得越发明显，人们急需寻求新的绿色清洁能源以满足人类可持续发展的要求，包括太阳能，风能，地热能和生物能等，这便要求我们开发相对应的能量储存与转换新技术。

近几年，超级电容器作为一种新型储能器件发展迅速并受到了空前的关注，它是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置，它汲取了两者的优点，拥有比功率大、充放电效率高，寿命长等其他储能器件所不可比拟的优点，凭借其优良的性能成为本世纪新型的绿色电源的典型代表之一，在低碳经济时代展现出巨大应用前景，已经被广泛应用于电动汽车、混合电动汽车、无线通讯设施、信号监控、太阳能及风力发电等诸多领域。

2.先进性及产业化前景：提高性能、降低成本一直以来都是超级电容器发展的主旋律，其中能量密度低是超级电容器发展面临的主要问题，因此开发出具有高能量、成本低的超级电容器迫在眉睫。就提高性能而言，超级电容器的电极改进是重点，主要途径是通过提高电压窗口和提高电极材料的比电容。目前针对超级电容器电极材料的研究主要集中在：（1）改进现有的电极材料；（2）开发新型电极材料；（3）改进生产工艺，实现低成本化。目前在全球范围内达到工业化生产水平的超级电容器基本都是以双电层为储能机制的活性碳基超级电容器，而以赝电容为储能机制的超级电容器尚处于实验室开发阶段，因此超级电容器还有很大的发展空间。

3.对所在行业和关联产业发展和转型升级的影响：根据超级电容器的容量大小和功率密度，可以将其用作后备电源、替换电源和主电源。当主电源发生故障而不能正常使用时，超级电容器便起到后备补充作用，它具有寿命长、充放电快和环境适应性强等优点。当用作替换电源时，主要应用于对环境变化有特殊要求的场合，例如白天太阳能提供电源并对超级电容器充电，晚上则由超级电容器提供电源。作为主电源时，主要利用超级电容的大功率密度，一般是一个或几个超级电容器通过一定的方式连接起来持续释放几毫秒至几秒的大电流，放电之后，再由低功率的电源对其充电。

4.市场分析：根据IDTechEX数据统计，2014年超级电容器全球市场规模为11亿美元，预计到2018年，超级电容器全球市场规模将达到32亿美元，年复合增长率为31%，并预测将会以此速度预计到2018年，超级电容器全球市场规模将达到32亿美元，年复合增长率为31%，并预测将会以此速度继续增长。我国将“超级电容器关键材料的研究和制备技术”列入到《国家中长期科学和技术发展纲要（2006-2020年）》，作为能源领域中的前沿技术之一。有数据显示，2015年国内超电市场规模已经超过了70亿元，因此，在这样的一个大背景下，研究新材料以开发具有超高能量密度的超级电容器具有非常大的市场前景。