[基础科学]正在走向实用的全固体铝超级电容动力电池.docVIP

正在走向实用的全固体铝超级电容动力电池 一般人很难想象，铝也能做成超级电容动力电池，就是国内外的超级电容专家，很难认同会有铝超级电容动力电池。只要你能了解本文后，你的想法应该能改变。 首先，必须修正超级电容动力电池的概念。通常的超级电容是指采用高比表面积炭黑电极和液体电解质的电化学双层电容器，其主要特征是： （1）?????? 1000~2000M2/g，电极表面没有绝缘介电层。 （2）?????? （3）?????? 2~3V （4）?????? 5000F/kg 由于输出电压很低，根据电容能量公式： 100kg的电化学超级电容电池组也只能储存0.6度电，这是一种储存电能微乎其微的超级电容，所以只要输出电压只能2~3V，各种电化学超级电容器是根本不能成为动力电池的。 超级电容器能成为动力电池的问题关键是： 如何提高输出电压达到20~220V，最好是220V。我们的研究工作核心就是提高输出电压。 如何提高输出电压？我们的研究是在铝箔正极表面均匀涂覆一层高介电常数的有机绝缘介电层。这是国内外空白的创新研究。主要的技术优势如下： （1）?????? 一般在20~30，比铝电解电容器的Al2O3氧化膜提高≥3倍。 （2）?????? 一般10nm有机0~30V的输出电压。比Al2O3高10~15倍，一般Al2O3的耐压场强是769KV/mm， （3）?????? EDOT聚合为固体负极，形成一个标准的平板电容： 正极是铝箔，负极是3，4-亚甲基二氧噻吩（EDOT）聚合得到的固体阴极，中间是一层介电常数20~30的绝缘介电层。 （4）?????? 5~20M2/g。 0.05mm的电子铝箔，经过低压扩面，能实现500~1500倍的扩面，一般的电解电容器铝箔交流低压扩面，需要将铝箔表面孔径做到≥1000nm，扩面倍率大概在60~200.。由于我们需要的最佳孔径在40~100nm，低压扩面提高表面积的潜力很大。 （5）?????? 尽管全固体铝超级电容动力电池的比电容远低于电化学超级电容器，但由于输出电压大幅提高，预计 一个200F/kg的全固体铝超级电容动力电池的能量存储如下： 输出电压U： 60V 电容C： 200F/kg 这是已经很接近锂电池的能量密度，但和锂电池相比，全固体铝超级电容动力电池具有无可比拟的强大优势： ①???? 使用寿命超长： 预计10年都不会损坏。 ②???? 大电流放电能力超强： 能全面满足汽车启动等大电流放电的要求。 ③???? 很廉价： 铝是资源储量超丰富的廉价金属，由于电解电容器工业的快速发展，国内电子铝箔工业能提供大量廉价的电子铝箔，预计全固体铝超级电容动力电池的性价比接近传统的铅酸电池，远远比锂电池廉价，为大规模动力电池的推广时具有明显的廉价优势。 国内外有很多文献介绍：提高介电层介电常数的方法。主要是通过在Al2O3介电层中掺杂钛等金属离子的方法，这些都是很难实用的方法。我们的方法则是低压扩面后的电子铝箔，利用铝箔表面生成的铝羟基作为固定活性基团，固定一层高介电常数的有机绝缘介电层。具体的均匀固定方法和有机介电层的分子结构是技术核心秘密，这是不会公开的。 全固体铝超级电容动力电池的实用化，面临一系列有机化合物的低成本合成难题，依赖有机化学合成技术的突破。本人是有机合成专家，因此有灵感来设计合成一系列高介电常数的有机绝缘介电层。 全固体铝超级电容的另一个广阔市场是电子工业的电容微型化。从目前的技术数据看，由于现在绝缘介电层还做不厚，只能在≤60V的低压电容领域应用。由于比现有的铝电解电容量提高了100~1000倍，也就是电子工业的铝电解电容可以缩小很多倍，或许2000μF/16V的铝电解电容可以做到米粒大小。这是一个有几百亿元/年的庞大市场。 在低压电容领域，电脑/手机等电子产品的高性能电解电容需求一直是在强劲增长。从2008年开始，电脑的主板上开始大量应用铝固体电解电容，一般在300~3000μF/16~40V，就是采用导电化合物EDOT聚合的固体导电阴极替代电解液阴极。台湾的凯美公司制造的铝固体电解电容就已经大量应用。 做全固体活性炭超级电容动力电池难度很大，钛超级电容动力电池非常昂贵，只有全固体铝超级电容动力电池，由于配套行业完整，电容器产业能提供高质量的电子铝箔，经过我们的努力，正在逐步走向实用化。