高比能超級電容電池致密能源器件基礎(chǔ)問題與關(guān)鍵技術(shù)項目建議書

重點培育項目建議書所屬領(lǐng)域：能源與動力工程項目類別：國家科技支撐計劃項目名稱：高比能超級電容電池致密能源器件基礎(chǔ)問題與關(guān)鍵技術(shù)培育期限：2016年-2018年所在單位：能源科學與工程學院電子科技大學目錄TOC\o"1-2"\p""\h\z\u第一章總論 11.1項目概況 11.2研究依據(jù)及范圍 21.3結(jié)論 31.4建議 4第二章項目建設(shè)的背景和必要性 52.1項目建設(shè)的背景 62.2項目建設(shè)的必要性 7第三章項目服務(wù)需求分析 9第四章項目選址與建設(shè)條件 114.1選址原則 114.2項目選址 114.3建設(shè)條件 12第五章建設(shè)方案與設(shè)計 125.1建設(shè)規(guī)模與內(nèi)容 125.2總體規(guī)劃設(shè)計 135.3結(jié)構(gòu)方案 185.4主要配套設(shè)備 195.5給水工程 205.6排水工程 225.7電氣設(shè)計 235.8節(jié)能設(shè)計 26第六章項目實施進度和招投標管理 296.1

項目實施進度 296.2招投標管理 31第七章環(huán)境影響分析 317.1項目主要污染源分析 327.2環(huán)境保護措施及治理效果 35第八章消防、安全與衛(wèi)生防護 378.1消防 378.2

勞動安全 388.3

衛(wèi)生防護 39第九章組織機構(gòu)、運作方式與項目實施進度 399.1

項目建設(shè)組織機構(gòu) 399.2項目運營組織機構(gòu) 419.3勞動定員 42第十章投資估算和資金籌措 4210.1投資估算 4310.2

項目所需流動資金 4910.3資金籌措 49第十一章

經(jīng)濟和社會效益評價 5011.1經(jīng)濟效益評價 5011.2社會效益評價 50第十二章結(jié)論 5012.1主要結(jié)論 5012.2建議 51附錄：1、****發(fā)改局《關(guān)于*******遷建工程項目建議書的批復》2、****村鎮(zhèn)建設(shè)管理所《*******遷建項目用地紅線》一、立項依據(jù)從《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》、《國家“十二五”科學技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》、《“十二五”先進能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》、《中國制造2025規(guī)劃綱要》中可以看出，節(jié)能和能源的高效清潔開發(fā)、轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，被認為是經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的重要支撐條件。動力與能源裝置是保障國防與工業(yè)建設(shè)的根本，也是先進武器裝備開發(fā)的基礎(chǔ)條件。在工業(yè)經(jīng)濟與民用方面，高比能量、高比功率、無污染、長壽命可充/放電二次電池，在個人電子產(chǎn)品、信息技術(shù)、家電產(chǎn)品、車輛動力的重要地位已普遍為人們意識，并受到各國政府的高度重視。目前高功率的超級電容器的應用領(lǐng)域不斷被擴展，用于CMOS動/靜態(tài)存儲器的備用電源、通訊電子行業(yè)產(chǎn)品的備用電源等無線通訊—GSM手機通訊時脈沖電源、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、移動電腦--手提數(shù)據(jù)終端、PDA、使用微處理器的手提設(shè)備、智能水表、電表、遠程載波抄表、電焊機、X-光機、充磁機、無線報警系統(tǒng)、電磁閥、電子門鎖、脈沖電源、UPS、電動工具、汽車輔助系統(tǒng)、汽車啟動設(shè)備、電子玩具、無線電話、電熱水瓶、照相機閃光燈系統(tǒng)、助聽器、消費電子—音響、視頻和其它電子產(chǎn)品斷電時須用記憶保持電路的信息技術(shù)產(chǎn)品等。對于高能量密度的二次可充電電池（如鋰離子電池）而言，在不斷設(shè)法提高其能量密度的同時，功率密度低更是一個卡脖子難題。因此，獲取高功率密度、快速充/放電可能性及延長循環(huán)壽命自然就成為了電池發(fā)展的目標。與電池相比，超級電容器具有高的功率密度、放電深度與充放電特性好，這時由于電容器中的電荷存儲于電極表面區(qū)域。類似地，提高電容器的能量密度成為其主要的發(fā)展方向。在軍事應用方面，目前廣泛應用軍事裝備和武器系統(tǒng)的電池，如鋰離子和鎳氫等可提供可靠的能源儲存方案,但仍存在使用壽命短、充電時間長、倍率特性低、環(huán)境溫度敏感等不足，因此，未來的主要發(fā)展方向是長壽命、高安全性、高比能、高功率特性、高環(huán)境適應性的新型電化學儲能技術(shù)，符合未來軍事裝備和武器系統(tǒng)電池技術(shù)的發(fā)展趨勢和應用需求。電池是現(xiàn)代軍事裝備和武器的動力源之一。高功率衛(wèi)星是我國當前和以后軍用衛(wèi)星發(fā)展的主要方向，其中高功率型雷達衛(wèi)星負載一般都以短脈沖的形式工作，具有一定的重復頻率及較短的脈沖長度，由于負載的脈動特性和高功率需求，需要儲能電源有非常好的脈沖放電特性和高比功率。高比能量的超級電容可以順利承擔負載開機時產(chǎn)生的瞬間浪涌電流，避免普通二次電池在負載開機時產(chǎn)生浪涌電流時瞬間電壓大幅度下降而放不出電的情況，從而提高供電質(zhì)量，更好地滿足下一代高功率衛(wèi)星的工作需要。因此研制具有高比能量、高比功率、長循環(huán)壽命的超級電容是高功率型衛(wèi)星研制的關(guān)鍵技術(shù)，可提升我國各種大功率衛(wèi)星平臺、雷達衛(wèi)星平臺等儲能電源系統(tǒng)的綜合性能。高強度、高能量的激光束發(fā)射是激光武器、定向能武器系統(tǒng)的關(guān)鍵，激光發(fā)射時瞬間脈沖能量值很高，在多個大功率激光模塊同時工作時，現(xiàn)行電網(wǎng)難以承擔高能量負荷，但改造電網(wǎng)又面臨工程、成本、電能有效利用等多方面的問題。因此，需要高電壓、高脈沖放電的初級儲能系統(tǒng)作為大功率激光器的輔助電源以緩解電網(wǎng)負荷和有效利用電能，高容量、高功率、低內(nèi)阻的超級電容器對于保障激光武器、微波武器的正常服役具有非常重要的支撐作用。總的說來，我國在電化學儲能技術(shù)領(lǐng)域面臨嚴峻的形勢，一方面，我國國防軍工和空間技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈娀瘜W儲能電池存在重大急迫需求，我國電化學儲能技術(shù)水平與美、歐等西方發(fā)達國家和地區(qū)差距較大，研究基礎(chǔ)薄弱，核心技術(shù)積累不足，無法對我國新一代武器裝備和航天飛行器提供有效支撐。另一方面，電子、通訊、儀表等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的信息化、智能化對高效能源技術(shù)提出了更高的要求，目前配備的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足大功率、高能量的要求。特別是，作為電動汽車“三電”核心技術(shù)的電池技術(shù)是嚴重阻礙整車技術(shù)和產(chǎn)品性能提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本項目擬開展基于超級電容與鋰離子電池的高比能復合致密能源器件的儲能機制和關(guān)鍵技術(shù)研究，旨在對能量密度和功率密度可調(diào)諧性進行深入的研究分析，以期對電荷存儲的機制有新的認識，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，提出新原理，并深入研究功率密度和能量密度連續(xù)可調(diào)式高性能的電極材料體系、配方融合技術(shù)，獲得高能量密度、高功率密度的致密能源器件的創(chuàng)新工藝技術(shù)，取得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高比能超級電容電池技術(shù)，對我國未來儲能技術(shù)的理論和方法、致密能源器件技術(shù)的提升，及與相關(guān)系統(tǒng)、整機性能的提升具有重要的現(xiàn)實意義。盡管本項目研究是針對鋰離子電池與超級電容的復合器件，然而這一構(gòu)想，可以擴展到各種二次電池與超級電容的復合，諸如：鉛酸蓄電池/閥控式密封鉛酸蓄電池、堿性Ni基蓄電池等，該復合致密能源器件從尺度上講，可以輻射到微能源（薄膜型）、個人電子（如移動電話）用電源、高功率衛(wèi)星載電源及電動車輛混合電源系統(tǒng)。毫無疑問，對于這些典型應用的基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與應用將成為本項目豐富的后續(xù)研究主題?？梢?，本項目具有深遠的研究意義與廣泛的應用前景。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢超級電容器是一種具有超大容量、能高功率密度放電（可輸出數(shù)百安培的電流）、短充電時間、超長使用壽命、工作溫度范圍寬，同時具有較高能量密度的新型儲能器件，它是一種介于電池與靜電電容器之間的“新概念器件”，與傳統(tǒng)靜電電容器具有類似的宏觀特性，但工作機理恰不相同。傳統(tǒng)靜電電容器是通過介質(zhì)極化儲存電荷，而超級電容器則是通過電解質(zhì)中離子的遷移，致使電極/電解質(zhì)表面產(chǎn)生離子和電子定向排列，從而形成異號雙電荷層的對峙。由于對峙電荷層層間距離極小（～1nm），活性電極比表面積極大（>1000m2/g），所以理論比電容可達每克數(shù)百法拉量值，這就是采用大表面的碳材料（活性碳）作為電極的雙電層型超級電容器。顯而易見，依靠雙電層原理在材料表面區(qū)間存儲電荷，其能量密度仍然有限。而金屬氧化物（或?qū)щ姼叻肿樱╇姌O的法拉第類電池反應，在向深度方向的準二維區(qū)間存儲電荷，其電容量高出雙電層型超級電容器1-2個數(shù)量級以上，可獲得更高的能量密度。這種超級電容器被稱為“膺電容器”。由于超級電容器的重要地位，國際上美國MAXWELL、COOPER、日本PANASONIC、HITACHI、SONY、ELNA、MURUTA等公司、俄羅斯科學院技術(shù)支撐的ESMA公司以及韓國NUINTEK等都著力進行研究，以積極爭取早日占領(lǐng)國際市場。據(jù)報道，國內(nèi)1449所、電子科技大學、清華大學、哈工大、18所、中科院成都分院、哈爾濱巨容集團、上海市奧威公司等單位相繼開展相關(guān)研究開發(fā)工作。顯而易見，理想的能量存儲器件應當兼具電池與電容的優(yōu)點，即：既具有高的能量密度（滿足設(shè)備時間長工作的需求），同時又具有高的功率密度（滿足設(shè)備高電流、高功率操作的需求）。從原理上看，這似乎是一個相互矛盾的兩難問題。因為高的能量密度要求活性電極厚度足夠大，而獲取高功率密度則需要活性電極箔盡量薄。事實上，盡管電池的電極存儲了足夠的能量但不能在短時間（即大電流）被轉(zhuǎn)換應用；電容能大電流放電但因為儲存的能量有限而持續(xù)時間很短。因為電池是在三維區(qū)間存儲電荷，所以能量密度高，但從三維區(qū)間提取電荷的速度受限，所以功率密度低。在高性能的能量存儲器件研究方面，人們進行了不斷的嘗試，在不影響超級電容的功率密度前提下提高超級電容的能量密度。一種方法是采用非水電解質(zhì)來擴展工作電壓（一般是2.5V），從而增加存儲能量；另外一種方式是采用導電聚合物，可以達到2.5V，但其穩(wěn)定性及價格是致命問題。由于贗電容電極不僅提供表面電荷存儲，而且提供體相的電荷存儲，也是一種措施，目前采用水合氧化釕電極其能量密度比活性碳電極提高約2倍，但貴金屬釕的應用限制了這種超級電容的推廣。因此，賤金屬氧化物、氮化物及硫化物作為釕基電極的取代也被廣泛研究，但仍然需要水性電解質(zhì)，而且其穩(wěn)定工作電壓為0.6-0.8V，大大降低了能量與功率密度。而俄羅斯ESMA公司采用不對稱電極系統(tǒng)來組裝氧化鎳（正極）/活性碳（負極）混合型超級電容器（U.S.Pat.No.5,986,876），在兩個電極上進行電荷存儲的機制不同，擴展了其應用電壓（可到1.7-1.8V），比對應碳基對稱電容器的能量密度提高約8倍，目前得到了廣泛應用。然而，ESMA公司獨有的這種超級電容對能量密度的增加仍然不足，進一步提高能量密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性與壽命是很有必要的。盡管可以通過單體串并聯(lián)的方式來獲得高電壓與高容量，從而獲得高能量密度與高功率密度，但是對器件單體的匹配一致性與可靠性的要求變得尤為突出。如果出現(xiàn)不容忽視的匹配問題，就會嚴重影響整個器件的性能。值得重視的是，在電動車輛用混合能源系統(tǒng)需求的驅(qū)使下，人們企圖將電池與電容混合在一起，設(shè)計、研究一種更高性能的致密能源器件。Drews等創(chuàng)新性地采用雙池系統(tǒng)的電池設(shè)計概念，提高Li/MnO2電池的功率密度，并申報了一系列專利：U.S.Pat.4959281,6088217,6222723,及6252762。2002年，加州大學伯克利分校的Amatucci等報道了另外一種非對稱復合能量存儲器件結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12/Poly(fluorophenylthiophene)。正如他們在專利（U.S.Pat.No.6,222,723）中指出，該不對稱超級電容的能量密度增加6倍，該器件具有電池擁有的典型電壓平臺與自放電特性，循環(huán)特性則介于電池與超級電容之間（約數(shù)千次）。近幾年來，國際上，特別是Amatucci等在美國能源部的資助下，針對電動車輛用能源系統(tǒng)的需要，對這一結(jié)構(gòu)開展了深入的研究，獲得了可喜的成績。然而，Li4Ti5O12的電導率不高，導致電池系統(tǒng)的內(nèi)阻難以進一步降低，從而限制了器件的高功率輸出。如何提高Li4Ti5O12電極的電導率是具有重大的工程應用價值的研究主題。為了提高鉛酸電池功率密度和壽命，2008以來，L.T.Lam博士及日本古河電池的研發(fā)人員，就鉛炭超級電容電池研究和應用發(fā)表了一系列的研究成果，在國際上掀起了鉛炭電池的研究熱潮。日本古河電池公司獲得澳大利亞CSRIO的專利授權(quán)，開始超級電容電池的研究和商業(yè)化開發(fā)工作，美國東賓公司獲得澳大利亞CSRIO的專利授權(quán)制造鉛炭電池，受到奧巴馬政府的資助，技術(shù)應用于美國陸軍，并將產(chǎn)品應用于微混和中度混合電動車以及光伏儲能的研究。同時美國Axion通過購買了加拿大C&T公司的專利技術(shù)進行儲能型鉛碳超級電容電池的研究工作，成為鉛碳超級電容電池研制的重要參與者。AxionPower開發(fā)的鉛炭超級電容電池也是超級蓄電池技術(shù)發(fā)展的重要一步。開發(fā)高功率密度、高能量密度超級電容電池的關(guān)鍵是研制綜合性能優(yōu)良的電極材料。理想的超級電容器電極材料應該具有足夠高的電導率、高比表面積，足夠大的離子嵌入量和優(yōu)良的離子脫出/嵌入可逆性，以保證電容器的超大比容量/比功率、低等效串聯(lián)電阻和長循環(huán)壽命的要求。在對活性碳粉末、活化碳纖維、碳納米管研究基礎(chǔ)上，人們曾采用具有贗電容效應的導電聚合物、過渡金屬氧化物作為高容量電極材料進行研究，以獲得更大比電容的同時提高比能量。然而，導電聚合物機械性能較差、導電性有限，長期存儲穩(wěn)定性不好；過渡金屬氧化物中除貴金屬氧化物RuO2、IrO2外，過渡賤金屬（如Mn等）氧化物的導電性能不高，從而大大限制了這類電極材料制作的電容器的功率特性。因此，人們采用了機械混合的方式將活性碳、乙炔碳黑或碳納米管與過渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飶秃蟻碇苽涑夒娙萜鞯碾姌O材料，其性能得到一定的提高。近來，日本電子利用高分辨透射電子顯微鏡對超級電容器的電極材料——活性碳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，逐漸掌握了活性碳內(nèi)部發(fā)生的各種現(xiàn)象之后，于2010年10月發(fā)布的超級電容器技術(shù)在該領(lǐng)域內(nèi)引起了極大的關(guān)注，其質(zhì)量比能量高達原來雙電層電容器的5～10倍，這一結(jié)果引起人們對電化學活性材料微結(jié)構(gòu)研究的重視，以期增加功率密度的同時，大大提高能量密度。采用傳統(tǒng)的方式制備電化學儲能器件時，往往需要加入導電相(10wt%~20wt%)來彌補電化學活性材料在導電性方面的不足，當然以犧牲活性材料在電極上的負載率為代價。其中，如何有效形成導電網(wǎng)絡(luò)（達到合適的導電性能）而盡可能少加入無電化學活性（相對于電化學活性材料來說）的導電相，仍然是具有深遠的科學研究意義及極大工程應用價值的課題。近年來有美國專利報道，在電導性較差的LiFePO4表面覆蓋一層導電性碳而改善其電池應用性能，然而研究表明，此復合材料的電導性及電化學性能受碳的負載量十分敏感，因此需要“導電相部分附著”在活性材料表面，形成三維導電網(wǎng)絡(luò)，這種操作相當于將采用傳統(tǒng)方式加入的導電相的分散方式加以改變，使之有序化。相反地，將電化學活性材料分散在導電相表面形成復合結(jié)構(gòu)來增強導電性應當也是一種有效的途徑，而且特別適宜于超級電容器的應用。從表觀上看，有人會懷疑導電相碳微粒被電化學活性物質(zhì)包裹在內(nèi)部，將難以起到提高導電性的目的。然而，與電池不同的是，超級電容器的電荷存儲電化學過程發(fā)生于電極表面（準）二維區(qū)間，因此較多的薄膜型電化學活性材料能獲得較高的質(zhì)量比容，但遺憾的是，其活性物質(zhì)負載量低，導致器件的整體容量小得難以實用。在薄膜型電化學活性材料的利用率研究方面，人們探求的比容極限就是希望能充分利用其每個電化學活性原子，從而使比電容逼近其理論值。因此，如何將電化學活性過渡金屬氧化物可控地分散在高導電性碳材料表面上，形成有序的納米復合結(jié)構(gòu)，在增大電化學活性表面、提高電化學活性材料利用率的同時，保證復合材料具有較高的導電性，這是值得深入研究的課題。顯然，原位化學復合技術(shù)是實現(xiàn)成分、微結(jié)構(gòu)及界面調(diào)控的有效手段。2004年，項目申請人在國際上首次采用KMnO4作為氧化劑，在酸性條件下將石墨表面氧化，在石墨電極表面上原位沉積MnO2薄膜，并用于超級電容器的應用。這種氧化還原沉積技術(shù)被證實是一種用于制備MnO2/碳納米復合材料的先進手段，受到國際上該領(lǐng)域界的關(guān)注。其中，直接采用該技術(shù)制備MnO2/碳納米復合物的研究機構(gòu)主要有韓國Yonsei大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所、廈門大學、美國華盛頓州的海軍研究實驗室（NRL）等有關(guān)研究機構(gòu)，特別是美國的海軍研究實驗室（NRL）在2007年NanoLetters第二期上報道了他們應用該技術(shù)的研究成果。研究表明，在該體系中，碳材料表面的碳原子被強氧化性的KMnO4氧化而轉(zhuǎn)化為MnO2，實現(xiàn)了“類原子層沉積”的轉(zhuǎn)化，同時也會在碳材料表面形成官能基（如-OH、-C=O、-COOH），使表面親水性提高，改善MnO2與碳基體的界面特性，降低接觸電阻，提高復合材料的綜合性能。實踐證明，利用強氧化性的物質(zhì)氧化作為導電相的碳材料（作為還原劑），將導電相的碳材料表面轉(zhuǎn)化為電化學活性的MnO2，能更有效地改善界面特性，提高電化學性能。為了解決目前所用的過渡賤金屬氧化物電子電導率的不足、電化學活性不理想等弊端，設(shè)計納米復合電極結(jié)構(gòu)，改善其電學、電化學綜合性能。可以預見，隨著電極材料組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的深入，從原理出發(fā)設(shè)計、制備出各種結(jié)構(gòu)規(guī)整或摻雜復合的納米電極材料，將有效地提高儲能器件的綜合性能。通過超級電容與鋰離子電池的高比能復合致密能源器件的儲能機制和關(guān)鍵技術(shù)研究，旨在對能量密度和功率密度可調(diào)諧性進行深入的研究分析，對電荷存儲的機制有新的認識，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，提出新原理，并深入研究功率密度和能量密度連續(xù)可調(diào)式高性能的電極材料體系、配方融合技術(shù)，獲得高能量密度、高功率密度的致密能源器件的創(chuàng)新工藝技術(shù)。通過本項目的研究，從電荷存儲科學問題的認識、致密能源器件工程技術(shù)問題的解決等方面獲得高比能超級電容電池技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)，對我國未來儲能技術(shù)的理論和方法、致密能源器件技術(shù)的提升，及與相關(guān)系統(tǒng)、整機性能的提升具有重要的現(xiàn)實意義。同時，為我國過渡賤金屬資源（如Ni、Co、V、Mn等）的高技術(shù)利用開辟一條持續(xù)發(fā)展的道路，并推進致密能源器件研究的自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化進程。擬解決的關(guān)鍵科學問題和主要研究內(nèi)容1、擬解決的關(guān)鍵科學問題電荷存儲新機制探索在“電容式”二維電荷存儲和“電池式”三維電荷存儲的機制、邊界特性及“準二維”或“準三維”的條件和轉(zhuǎn)換機制，從而揭示出高功率密度和高能量密度的物理機制及與電極活性物質(zhì)的介觀特性的相關(guān)性。新型電極材料和新型電解質(zhì)體系及匹配機制研究新型電極材料成分、相結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)特性對功率密度和能量密度貢獻的敏感度，從電極過程熱力學和動力學兩方面研究電荷存儲過程電極材料的變化及與電解質(zhì)體系的相關(guān)性，研究高比能電解質(zhì)體系的基本組成和性能增強型特種添加劑及作用機制。功率和儲能容量連續(xù)可調(diào)的機制與實現(xiàn)途徑研究電容單元與電池單元的內(nèi)在物理協(xié)同機制，從電極的配方組成、介觀特性等解析電荷存儲的“電容式”或“電池式”邊界條件及相互耦合規(guī)律、轉(zhuǎn)化條件，從而獲得實現(xiàn)功率和儲能容量連續(xù)可調(diào)的電極配方特性和工藝實現(xiàn)途徑。致密能源器件的可靠性封裝及老化機制從傳統(tǒng)的只測試電池靜態(tài)性能向關(guān)注電池使用過程分析及不同工況下的動態(tài)特性，研究致密能源器件高可靠性應用的設(shè)計與封裝，分析倍率條件下的熱、力、化、場等對器件性能影響及疲勞機制，從而研究可靠性封裝技術(shù)和器件老化機制。2、主要研究內(nèi)容（1）高性能新型碳基納米材料的改性研究包括具有大的比表面積、高比容、合適的孔分布、高電導率和高密度的超級活性碳微球材料、碳纖維表面納米結(jié)構(gòu)化的活化改性、石墨烯功能化等，深入研究高性能新型碳基納米材料的特性、活化、功能化工藝條件對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能影響。鋰離子電池正極材料與高性能新型碳基納米材料介觀結(jié)構(gòu)調(diào)控在主流嵌鋰過渡賤金屬氧化物（如LiCoO2、LiCoxNi1-xO2、Li（Co,Ni,Mn）O2、VOx、LiFePO4等）中摻入高導電的碳材料（包括活化碳纖維、碳納米管、乙炔碳黑、石墨烯等）進行改性，采用原位復合途徑形成過渡賤金屬氧化物均勻分散在碳材料表面的納米復合物，構(gòu)建三維導電網(wǎng)絡(luò)，增強電子電導性，改善過渡賤金屬氧化物與導電相及電極與集電極的界面特性，降低接觸電阻，降低等效串聯(lián)電阻，獲得較高的離子嵌/脫速率，較短的注入離子擴散途徑，增強電極材料網(wǎng)絡(luò)空間離子、電子的傳輸性能，從而提高器件功率密度。研究工藝條件與納米復合材料的相組成、金屬氧化物的金屬離子價態(tài)與空間分布、微觀結(jié)構(gòu)、相界面行為等特性之間的關(guān)系；研究納米復合材料的電學、電化學性能對納米復合材料的組成（氧化物/碳的質(zhì)量、體積比）及空間分布、嵌鋰過渡賤金屬氧化物覆蓋率、微結(jié)構(gòu)與相界面的依賴關(guān)系；研究納米復合物的組成、理化特性（如表面形貌和微結(jié)構(gòu)、比表面積、孔尺寸及分布等）與電學、電化學性能的關(guān)系。（3）鋰離子電池負極材料與高性能新型碳基納米材料的介觀結(jié)構(gòu)調(diào)控采用原位復合途徑將過渡賤金屬氧化物（Li4Ti5O12、硅/碳復合物、SnO2等）均勻分散在大比表面積的碳微球（活性碳、超級活性碳）表面，增加電化學氧化還原活性位，提高活性材料的利用率，從而提高器件能量密度。研究工藝條件與納米復合材料的相組成、金屬氧化物的金屬離子價態(tài)與空間分布、微觀結(jié)構(gòu)、相界面行為等特性之間的關(guān)系；研究納米復合材料的電學、電化學性能對納米復合材料的組成（氧化物/碳的質(zhì)量、體積比）及空間分布、嵌鋰過渡賤金屬氧化物覆蓋率、微結(jié)構(gòu)與相界面的依賴關(guān)系；研究納米復合物的組成、理化特性（如表面形貌和微結(jié)構(gòu)、比表面積、孔尺寸及分布等）與電學、電化學性能的關(guān)系。（4）嵌鋰過渡賤金屬氧化物/碳納米復合物的電荷存儲機制研究從分子層面、介觀層次入手，揭示納米復合物的成分的空間效應、微結(jié)構(gòu)與界面效應；研究典型的鋰離子電池（正極）/超級電容器（負極）的不對稱復合電化學電荷存儲機制、電極等效容量模型和等效阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，探討鋰離子電池與超級電容器系統(tǒng)協(xié)同作用的電極材料配伍規(guī)律。研究新型電解質(zhì)體系和高效封裝技術(shù)通過電極材料嵌/突鋰離子的相結(jié)構(gòu)、表面化學等變化研究，對不同的電極體系研究有利用增強鋰離子存儲容量和離子傳輸速率的電解質(zhì)體系及電極/電解質(zhì)配伍體系；通過器件老化失效的測試分析與解剖研究，揭示器件老化失效機制，從而開發(fā)出高效的器件封裝技術(shù)。研究高電壓單體電池的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法與性能測試研究高離子導電率的有機電解質(zhì)組成及與電極的匹配特性；研究有效降低等效串聯(lián)電阻的電極集成技術(shù)及穩(wěn)定工藝條件；研究控制復合致密能源器件樣品性能一致性的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。預期目標本項目圍繞新能源汽車動力系統(tǒng)和軍用武器裝備的驅(qū)動電源系統(tǒng)對高比功率、高比能量致密復合能源器件的需求，本項目創(chuàng)新性地提出研究的鋰離子電池/超級電容復合致密能源器件能夠同時具有高比能量和高比功率、長循環(huán)壽命特性，它填補了超級電容器和鋰二次電池的中間空白，將二者的優(yōu)點很好地結(jié)合起來，代表著致密能源器件的發(fā)展方向。本項目的主要技術(shù)指標為：納米復合電極比電容：＞120F/g；單體電容：0.05~300F；單體功率密度：1~10kW/kg；單體能量密度：30~120Wh/kg；最大放電倍率:10C~30C；單體耐壓：＞2.5V；單體電池內(nèi)阻：＜5.0m；工作溫度范圍：-25~60℃；循環(huán)壽命：＞2000（容量保持80％以上）本項目有望在電荷存儲新機制、新型電極材料和新型電解質(zhì)體系及匹配機制、功率和儲能容量連續(xù)可調(diào)的機制與實現(xiàn)途徑、致密能源器件的可靠性封裝及老化機制等關(guān)鍵科學問題、理論認識和工藝方法上獲得突破，獲得一系列的自主知識產(chǎn)權(quán)，擬發(fā)表高水平的學術(shù)論文8-10篇（其中一區(qū)2-3篇，二區(qū)3-4篇），擬申報國家發(fā)明專利3-4項，力爭申請并獲批省部級科技支撐計