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在設(shè)計(jì)柔性鋰離子電池負(fù)極材料上取得了突破，以表面刻蝕剝離處理的碳布為基底(CC@EC)，水熱法生長(zhǎng)NiCo2O4(NCO)納米線陣列。當(dāng)其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極時(shí)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。作者通過(guò)DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，NCO與CC@EC具有強(qiáng)的相互電子作用、在鋰離子傳輸過(guò)程中具有更低的反應(yīng)能壘。此外，作者進(jìn)一步通過(guò)原位拉曼光譜闡明了CC@EC基底對(duì)電極材料儲(chǔ)鋰性能提升的貢獻(xiàn)因素。在此基礎(chǔ)上，獲得了具有高載量下高能量密度 (314 Wh/kg) 的全柔性鋰離子電池(總重量為281 mg)，具有出色的柔韌性和良好的儲(chǔ)能性能，為未來(lái)的便攜能源開(kāi)啟了新的方向。

一、項(xiàng)目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、成果簡(jiǎn)介 隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，高性能儲(chǔ)能裝置對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。與超級(jí)電容器和鋰電池相比，脈沖儲(chǔ)能電介質(zhì)電容器擁有超高的可釋放功率密度，高的操作電壓、極快的充放電速率以及長(zhǎng)的循環(huán)壽命，是重要的新型功率儲(chǔ)能器件，在新能源汽車、高端醫(yī)療器械、智能電網(wǎng)調(diào)頻、可控核聚變、電磁炮等高功率脈沖技術(shù)的軍民領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

研究方向： 高能量密度鋰離子電池、固態(tài)鋰電池、電池失效分析。主要性能：10Ah 軟包電芯能量密度達(dá) 310~390Wh/kg，800~890Wh/L。

成果創(chuàng)新點(diǎn) 主要技術(shù)創(chuàng)新路徑：傳統(tǒng)爆炸焊接的裝置，其上表面 裸露在空氣中。而本技術(shù)在炸藥上表面對(duì)稱地放置與炸藥 下表面一致的復(fù)板和基板，整體作為一個(gè)單元；為避免上 半部分拋擲出去，因而重復(fù)該單元，讓炸藥沖擊互相約束； 最頂部不能再鋪設(shè)復(fù)板與基板，因而以膠體水替代，能提 高其能量利用率。 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：各層炸藥同步起爆、間隙及炸藥配方 和用量； 核心解決問(wèn)題、核心優(yōu)勢(shì)：解決了

主要技術(shù)創(chuàng)新路徑：傳統(tǒng)爆炸焊接的裝置，其上表面裸露在空氣中。而本技術(shù)在炸藥上表面對(duì)稱地放置與炸藥下表面一致的復(fù)板和基板，整體作為一個(gè)單元；為避免上半部分拋擲出去，因而重復(fù)該單元，讓炸藥沖擊互相約束；最頂部不能再鋪設(shè)復(fù)板與基板，因而以膠體水替代，能提高其能量利用率。 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：各層炸藥同步起爆、間隙及炸藥配方和用量； 核心解決問(wèn)題、核心優(yōu)勢(shì)：解決了爆炸焊接工業(yè)生產(chǎn)中的成本和效率問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)證明五層的該結(jié)構(gòu)可以提升能量利用率 63%，且該技術(shù)多塊板一次成型，大大提高了工作效率；

超級(jí)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(zhǎng)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(wú)線通訊設(shè)施、信號(hào)監(jiān)控、太陽(yáng)能及風(fēng) 力發(fā)電等領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)具有高能量、高循環(huán)性和低成本的超級(jí)電容器是該領(lǐng)域 未來(lái)重要研究之一。電極材料作為超級(jí)電容器的核心組成部分，對(duì)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(guò)渡金屬基化合物 （Fe、Co、Ni）是實(shí)現(xiàn)高容量、低成本超級(jí)電容器首選的電極材料。以過(guò)渡金 屬基化合物為主要研究對(duì)象，對(duì)其組分及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)控，通過(guò)儲(chǔ)能性能測(cè) 試及儲(chǔ)能機(jī)理分析，為開(kāi)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(kāi)展，給組裝超高能量密度的超級(jí)電容器并使其從實(shí)驗(yàn)室走向我們 的日常生活帶來(lái)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(lái)都是超級(jí)電容器發(fā)展的 主旋律，其中能量密度低是超級(jí)電容器發(fā)展面臨的主要問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)出具 有高能量、成本低的超級(jí)電容器迫在眉睫。就提高性能而言，超級(jí)電容器的 電極改進(jìn)是重點(diǎn)，主要途徑是通過(guò)提高電壓窗口和提高電極材料的比電容。目前針對(duì)超級(jí)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(kāi)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(jí)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(jí)電容器，而以贋電容為儲(chǔ)能機(jī)制的超級(jí)電容器尚處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階 段，因此超級(jí)電容器還有很大的發(fā)展空間。2. 對(duì)所在行業(yè)和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的影響：根據(jù)超級(jí)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(jí)電容器便起到后備補(bǔ)充作用，它具有壽命長(zhǎng)、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(duì)環(huán)境變化有特殊要 求的場(chǎng)合，例如白天太陽(yáng)能提供電源并對(duì)超級(jí)電容器充電，晩上則由超級(jí)電 容器提供電源。作為主電源時(shí)，主要利用超級(jí)電容的大功率密度，一般是一tin個(gè)或幾個(gè)超級(jí)電容器通過(guò)一定的方式連接起來(lái)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(duì)其充電。3.   市場(chǎng)分析：根據(jù)IDTechEX數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年超級(jí)電容器全球市場(chǎng)規(guī)模為11 億美元，預(yù)計(jì)到2018年，超級(jí)電容器全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到32億美元，年復(fù)合 增長(zhǎng)率為31%,并預(yù)測(cè)將會(huì)以此速度預(yù)計(jì)到2018年，超級(jí)電容器全球市場(chǎng)規(guī)模 將達(dá)到32億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為31%,并預(yù)測(cè)將會(huì)以此速度繼續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó) 將“超級(jí)電容器關(guān)鍵材料的研究和制備技術(shù)"列入到《國(guó)家中長(zhǎng)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(guó)內(nèi)超電市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)了 70億元，因此，在這樣的一個(gè)大背景下， 研究新材料以開(kāi)發(fā)具有超高能量密度的超級(jí)電容器具有非常大的市場(chǎng)前景。

項(xiàng)目已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室的小試階段，進(jìn)入中試階段和批量生產(chǎn)階段，完全擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利。本項(xiàng)目創(chuàng)新構(gòu)建了以CNT為納米莖、片狀納米過(guò)渡金屬多元氧化物為枝葉的三維納米結(jié)構(gòu)材料正負(fù)電極材料。該項(xiàng)目創(chuàng)新超級(jí)電容器獲得了超大比電容、高能量密度和功率密度；充電時(shí)間遠(yuǎn)小于鋰離子電池（小于2分鐘）；循環(huán)壽命也高于鋰離子電池10倍以上。產(chǎn)品量產(chǎn)后可以廣泛應(yīng)用于軍事裝置（單兵、瞬時(shí)大推力陸用裝備、無(wú)人機(jī)、空間飛行器等）、新能源汽車、工業(yè)運(yùn)輸裝載車、電站儲(chǔ)能設(shè)施等領(lǐng)域中。主要技術(shù)指標(biāo)：能量密度：80Wh/kg、功率密

關(guān)鍵詞：兼具高能量密度和高安全性的準(zhǔn)固態(tài)可充電鋰離子電池新體系 針對(duì)現(xiàn)有鋰離子電池體系在能量密度與安全性上的瓶頸，王治宇、邱介山教授團(tuán)隊(duì)利用凝膠電解質(zhì)中硫化鋰正極與硅負(fù)極之間的穩(wěn)定多電子氧化還原反應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)高能量密度（506-802 Wh kg-1）的同時(shí)，從原理上根除了高活性金屬鋰負(fù)極或釋氧正極對(duì)電池壽命與安全性的影響，發(fā)展了一類具有本質(zhì)安全性的高能量準(zhǔn)固態(tài)鋰離子電池新體系。獲得的軟包電池在過(guò)熱、內(nèi)/外部短路、機(jī)械穿刺/切割及水/氧破損等濫用條件下均具有良好的穩(wěn)定性，且可在-20 至 60oC 寬溫區(qū)內(nèi)正常工作。在聯(lián)用原位紫外光譜、原位 X 射線衍射及原位電化學(xué)阻抗譜深入理解揭示其多硫化物介導(dǎo)反應(yīng)機(jī)理基礎(chǔ)上，發(fā)展了限域空間內(nèi)構(gòu)建導(dǎo)電吸附-催化雙功能活性位點(diǎn)，提升電池在低離子遷移率凝膠電解質(zhì)中氧化還原反應(yīng)效率的有效策略。此項(xiàng)工作為彌補(bǔ)二次電池安全性與能量密度之間的鴻溝，發(fā)展高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的新型電池提供了新的思路，在載人交通工具、空間技術(shù)、植入醫(yī)療等對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)安全性、可靠性需求突出的領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

利用三維高結(jié)晶度的Bi納米結(jié)構(gòu)抵消儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換反應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，成功構(gòu)筑了首款可充放的Ni//Bi電池（Adv. Mater., 2016, 28, 9188–9195．）。為了進(jìn)一步提高鎳鉍電池的能量密度和壽命，該團(tuán)隊(duì)在前期基礎(chǔ)上最近通過(guò)原位活化的策略制備了一種高載量的三維多孔的鉍-碳復(fù)合材料，作為水系鎳鉍電池的高性能負(fù)極材料。這種多孔氮摻雜的碳三維結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)高載量鉍的均勻負(fù)載，而且可以提供快速的電子傳輸和離子擴(kuò)散的通道，有利于提高電極的容量和倍率性能。因此，制備的鉍-碳復(fù)合電極具有很好的潤(rùn)濕性和活性面積，表現(xiàn)出較高的容量（2.11 mAh cm-2和166.2 mAh g-1）和優(yōu)異的倍率性能（2.11 mAh cm-2和120 mA cm-2）。更重要的是，基于這種鉍-碳復(fù)合材料為負(fù)極，Ni-NiO為正極組裝的柔性鎳鉍水系可充放電池具有很高的能量密度（16.9 mWh cm-3）和出色的循環(huán)壽命（充放電5000次后仍有94%的容量保持率），優(yōu)于很多研究報(bào)道的水系電池。

高能球磨是一個(gè)高能量干式球磨過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它是在高能量磨球的撞擊研磨作用下，使研磨的粉末之間發(fā)生反復(fù)的冷焊和斷裂，形成細(xì)化的復(fù)合顆粒，發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成新材料的過(guò)程。和常規(guī)的冶煉工藝及一般的快速凝固非平衡工藝相比，高能球磨工藝有以下幾大特點(diǎn)： 1、工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量大(一臺(tái)大型球磨機(jī)日產(chǎn)量可達(dá)噸級(jí))。 2、整個(gè)過(guò)程在室溫固態(tài)下進(jìn)行，無(wú)需高溫熔化，工藝簡(jiǎn)單靈活。 3、合成制備材料體系廣，不受平衡相圖的限制。 4、可得到其它技術(shù)較難得到的組織結(jié)構(gòu)，如寬成分范圍的非晶合金、超飽和固溶體、納米晶合金及原位生成的超細(xì)彌散強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。 5、可合成制備常規(guī)方法無(wú)法得到的合金，特別是不互溶體系合金、熔點(diǎn)差別大的合金、比重相差大的合金及蒸汽壓相差較大的合金等難熔合金的制備。