阮殿波：超级电容性能好为什么不卖贵点？未来中车还是想做世界老大的|电池|阮殿波|电容器_新浪科技_新浪网
阮殿波：超级电容性能好为什么不卖贵点？未来中车还是想做世界老大的
【文/观察者网 庄怡 采访/庄怡 苏堤】日前，观察者网受邀参加了由中国人民对外友好协会与宁波市人民政府共同主办的2017中国—中东欧市长论坛。中车超级电容所所长、总工程师、中车首席技术专家阮殿波博士也参加了论坛并介绍了中车超级电容器的发展。会后，阮殿波博士接受了观察者网独家专访，就超级电容器目前在高铁和公交上的发展情况、技术面临的瓶颈，国内外推广情况，以及中车未来布局作了深度解答。超级电容器是一种新型储能装置，拥有充电时间短、使用寿命长、比电池更耐受高低温差、节能环保等特点，应用广泛。阮殿波博士表示，中车的超级电容目前在世界上居于领先水平，“别人能做的我们也能做，我们能做的别人却做不了。”例如像出口到韩国的产品，我们性能好，价格上为什么不卖贵点。 提及超级电容器未来应用，阮殿波称，电容器在高铁、电动公交上都会有很好的前景，目前奥地利格拉兹等欧洲等较为注重环保的国家，都点名要求超级电容器产品。超级电容器也在朝消费类电子领域作延伸研究。例如在老年代步车上使用超级电容，很可能车子坏了，电容还是好的。并且争取在提高使用寿命的基础上，把价格降下来，让老百姓都能消费得起。此外，阮殿波还透露，中车未来会向储能和节能领域会有进一步的动作，例如资本收购等。中车还是想做世界老大的。 阮殿波博士在中东欧论坛上演讲 拍摄：庄怡 以下为采访实录：“原本高铁进站一次就浪费一个家庭一个月的用电量，现在都被超级电容器利用起来了” 观察者网：中车的高铁被称为中国八大奇迹，超级电容器在高铁上有使用吗？情况是怎样的？ 阮殿波：超级电容在高铁上主要有两方面的应用。首先第一点，大家都知道高铁进站制动的时候，需要的能量非常大，最多的时候需要300度电一次，少的时候页有100多度电，这相当于一个普通家庭一个月的用电量，一个站一天普通的这种消耗也有二三十次，如果是北京上海这种大站的话，得有几百次。这个能量原来是浪费掉的，我们现在做的，就是把这些能量都收集到超级电容器里面，应用到下一次出站的制动上，也就是我们现在正在做的高铁的制动能量回馈。减少能源的消耗，建设绿色节能型社会是现在的重大主题，那么高铁的制动能量回馈正好是超级电容器的一个优势，也就是能量的高效利用与循环利用，这个原来是科学家的事情，现在工程师要把它实现。第二点主要是作为高铁的备用牵引电源。万一牵引高铁进站的网被雷击了没有电怎么办，如果高铁离站比较近的话，就可以用后备电源迁移进站。以前牵引用的是电池，现在正在逐步的用电容器替代。普通电池的使用寿命只有两三年，即使放着不用也要拆掉。但是用超级电容器的使用寿命可以达到十年以上，所以它的优势是非常明显的，也比较安全。观察者网：电池造价相对于电容器更低，除了使用寿命上，电容器的优势又在哪里？ 阮殿波：这个不应该这么来看，一般来讲轨道交通需要用到30年，但是电池两三年就不行了，超级电容器却可以用十年以上。像高铁制动回馈这种，电容器甚至可以用25年。所以我们要考虑全寿命周期内的使用情况，超级电容器在全生命周期内是性价比最高的，成本最低，效率更高，安全性也更好。 另外，超级电容器可以承受的温差在零上65度到零下40度之间，普通电池能够承受的温差是零上55度到零下20度。如果是在北方的话，难道还要给放电池的屋子装上暖气？搭载超级电容器的地铁
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“青年千人”专家在超级电容器储能研究取得突破
国家&青年千人计划&专家、华中科技大学教授王帅研究团队长期致力于柔性材料及器件的研究，近期在超快柔性储能研究方面取得突破性进展。
据了解，超级电容器具有&使用寿命长、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度&的四大显著特点，具有广泛的应用前景。因此，超级电容器的研究受到高度关注。目前，基于碳材料的双电层电容器具有超高的功率密度，但其能量密度远低于可再充锂离子电池;而基于过渡金属氧化物的赝电容材料展现出较高的能量密度。将两者完美结合构建混杂型纳米复合材料，既能克服各自的缺点又能发挥各自的优势，有望推进高能量密度的超级电容器的工业化。
该研究团队成员吕其英博士在《纳米快报》(Nano Letters)在线刊发了关于氮掺杂碳管/金掺杂二氧化锰的全固态薄膜超级电容器的研究论文，论文题目为《Solid-State Thin-Film Supercapacitors with Ultrafast Charge/Disge based on N-Doped-Carbon-Tubes/Au- Nanoparticles-Doped-MnO2 Nanocomposites》(NanoLett.,2015,DOI:10.1021/acs.nanolett.5b02489)。此研究是采用模板法在碳布基底上组装氮掺杂碳管/金掺杂二氧化锰的三维中空纳米复合电极，并以此电极分别组装成对称和非对称(多孔三氧化二铁纳米柱作为负极)的全固态薄膜超级电容器，充分利用纳米材料的多方面优势加速电子在活性材料中的传递，进而实现超级电容器的快速充电。这两种薄膜器件均具有较高的功率密度和能量密度，更重要的是，所组装的非对称的全固态薄膜器件可展现出超快速充电能力(10V/s)，比常规电容器的充电时间快10-100倍，能在几秒内完成充电，且在经过5000次充放电仍能保持97%的比电容。并且这种超级电容器有望与电池结合，组装成混合型超级电容器，进而实现工业化。这是国际上基于金属氧化物赝电容薄膜型超级电容器研究领域的一个重大突破。
过渡金属氧化物的赝电容材料的导电性普遍较差，严重制约了其性能以及在工业中的实际应用。吕其英博士另辟蹊径，采用电沉积方法在氧化锌纳米柱上生长金掺杂&-型二氧化锰纳米复合膜，首次解决了&-型二氧化锰导电性差的缺点，为实现&-型二氧化锰在超级电容器中应用提供了重要的理论依据和设计方向。此项研究是采用电沉积方法在氧化锌纳米柱上生长金掺杂&-二氧化锰纳米复合膜，得到电化学性能优异的三维纳米复合材料，通过理论计算进一步验证了该方法能使金原子巧妙地掺杂进入&-二氧化锰的晶格，从本质上提高了&-型二氧化锰的导电性，解决了&-型二氧化锰导电性差的缺点，实现了二氧化锰中的锰原子在能量存储过程中的充分利用，因此，其质量比电容(可达1305F/g)得到空前提高，与其理论电容值(1380F/g)非常接近。采用该纳米复合材料作为阳极、石墨烯-碳纳米管复合材料作为阴极，组装成超级电容器器件，该器件具有较宽的工作电势窗口(1.8V)和超高的能量密度(101Wh/kg)，该能量密度堪与锂电池(100~200Wh/kg)相媲美。这种金原子掺杂&-型二氧化锰的方法简单易控，可操作性强，且可以推广到更为广泛的储能研究领域，比如锂离子电池、燃料电池等。相关最新研究论文(《Ultrahigh Capacitive Performance of Three-Dimensional Electrode Nanomaterials based on &-MnO2 Nanocrystallines Induced by Doping Au through A-Scale Channels》)被NanoEnergy接收。
上述工作是继该团队的肖军武副教授关于在高性能柔性高效电容器的设计和制备工作之后，在超级电容器领域取得的又一重要进展。肖军武副教授设计在柔性碳纤维上生长NiCo2S4纳米管，再在纳米管上沉积金属氧化物或者氢氧化物，构建三维金属氧/硫化物纳米复合材料，研究发现，此类材料具有高的比电容(2.86F/cm2at4mA/cm2)和超高的比率(2.41F/cm2at20mA/cm2，比率高达84%)，该研究论文(《Design Hierarchical Electrodes with Highly Conductive NiCo2S4 Nanotube Arrays Grownon Carbon Fiber Paper for High-Performance Pseudocapacitors》)(NanoLett.-838)发表在《纳米快报》(NanoLetters)上，是2014年度百篇最具有国际影响力的文章之一。
王帅教授除了在科研工作方面取得了重要进展，助推了科技的发展，同时还为国家培养了一批优秀的科技人才。特别值得提出的是，和团队肖菲副教授合作指导的博士研究生张哲野从本科开始从事科研工作，截止到目前(五年制博士研究生的第二年)已经发表关于柔性储能材料及器件的论文15篇，累计影响因子超过100，其中第一作者论文12篇，部分论文被选为期刊封面或图片新闻;申请专利11项，目前已经获权7项。同时张哲野博士还在全国大学生&挑战杯&等科技竞赛中荣获众多奖项。由于科研成绩突出，还获得&第九届中国青少年科技创新奖&、湖北省首届&长江学子&、湖北省首届向上向善好青年之&创业创优好青年&(全国向上向善好青年提名奖)、湖北省优秀学士学位论文、宝钢优秀学生特等奖、华中科技大学三好研究生标兵、华中科技大学大学生科技创新活动标兵等荣誉称号。作为优秀大学生代表也曾引起《中国青年报》、《光明日报》、《湖北日报》以及湖南卫视等多家报社和媒体的关注，受到了高度的评价和赞扬。
该研究团队的研究工作得到了中组部&青年千人计划&、国家自然科学基金委、科技部、教育部、湖北省科技厅、湖北省楚天学者计划和华中科技大学的支持。目前该团队正通过进一步优化电极材料，更大程度地提高超级电容器的能量密度和超快充电能力，探索其在能量存储与转换领域的应用。
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b为CNT、Bi2S3和实施例1所得Bi2S3/CNT纳米复合物的孔径分布图。图5为CNT、Bi2S3和不同质量比的Bi2S3/CNT纳米复合物电极的三电极体系电化学表征图；其中：a为CNT、Bi2S3和不同质量比的Bi2S3/CNT纳米复合物电极在100mV/s下的循环伏安曲线；b为CNT、Bi2S3和不同质量比的Bi2S3/CNT纳米复合物电极在不同扫速下的比电容；c为CNT、Bi2S3和不同质量比的Bi2S3/CNT纳米复合物电极在10A/g下的充放电曲线；d为CNT、Bi2S3和不同质量比的Bi2S3/CNT纳米复合物电极的电化学阻抗曲线。图6为Bi2S3、CNT和实施例1的Bi2S3/CNT纳米复合物电极的三电极体系电化学表征图；其中：a为CNT、Bi2S3和实施例1的Bi2S3/CNT电容器电极在100mV/s下的循环伏安曲线；b为CNT、Bi2S3和实施例1的Bi2S3/CNT电容器电极在不同电流密度下的单位比电容；c为CNT、Bi2S3和实施例1的Bi2S3/CNT电容器电极的电化学阻抗曲线。图7为实施例1制备得到的Bi2S3/CNT纳米复合物电极的两电极体系电化学表征图；其中：a为实施例1的Bi2S3/CNT纳米复合物电极充放电1000个循环的比容量保留图；b为实施例1的Bi2S3/CNT纳米复合物电极充放电1000个循环前后的电化学阻抗图，插图为电化学阻抗图的高频区的放大图。图8为多层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的制备过程示意图；图9为实施例1的Bi2S3/CNT纳米复合物电极和多层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的SEM图；其中：a-c为Bi2S3/CNT纳米复合物电极在不同放大倍数下的SEM图；d为多层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的SEM图，插图为其局部SEM放大图；e为多层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的断面的SEM图；f为Bi2S3/CNT纳米复合物电极的EDS谱图；图10为实施例1-5中不同层数(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极和对比实施例5中6层Bi2S3/CNT纳米复合物电极的三电极体系电化学表征图；其中：a为1、2、4、6、8层的(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极在扫描速度为50mV/s下的循环伏安曲线；b为1、2、4、6、8层的(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极在电流密度为22A/g下的充放电曲线；c为6层的(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极和6层的Bi2S3/CNT纳米复合物电极在扫描速度为50mV/s下的循环伏安曲线对比；d为6层的(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极和6层的Bi2S3/CNT纳米复合物电极在电流密度为22A/g下的充放电曲线对比。图11为多层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的功率密度和能量密度的关系图以及性能对比图；其中：a为1、2、4、6、8层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的功率密度和能量密度关系图；b为1、2、4、6、8层(Bi2S3/CNT)/rGO电容器电极的功率密度和能量密度与现有储能设备的对比图。具体实施方式下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，以下内容中的份数均指质量。以下实施例将公开一种基于多层结构的高功率密度和高能量密度的新概念电池型超级电容器，包括多层结构电极、电解液和外壳，所述多层结构电极由高比能量电池材料和/或超级电容材料薄层与还原的氧化石墨烯薄膜交替层叠而成。其中，所述多层结构电极由电化学沉积，滴涂，悬涂，丝网印刷，浸涂或刷涂方法制得，所述高比能量电池材料和/或超级电容材料优选为金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物、导电聚合物或碳材料；进一步，所述金属氧化物为氧化锰、氧化钴、氧化铁、氧化钌、氧化钼、氧化钨、氧化钛、锰钼氧化物、钴钼氧化物、镍钴氧化物、钴锰氧化物、磷酸钒氧，所述金属氢氧化物为氢氧化钴、氢氧化镍、氢氧化锰，所述金属硫化物为硫化铋、硫化钼、硫化镍、硫化铁、硫化锡、硫化镉、硫化铅、硫化镓，所述导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺、聚3,4-乙撑二氧噻吩或聚噻吩，所述碳材料为石墨烯、石墨烯水凝胶、石墨烯气凝胶、三维石墨烯、碳纳米管、活性炭、生物质碳或者碳布。特别的，所述高比能量的电池材料和/或超级电容材料选用Bi2S3和CNT，所述多层结构电极为多层(Bi2S3/CNT)/rGO电极。进一步，所述多层(Bi2S3/CNT)/rGO电极结构中Bi2S3/CNT层和rGO层交替层叠，且层数均为2-20层。进一步，所述Bi2S3/CNT层和rGO层的厚度均为2-500nm。下述实施例还将公开一种制备所述基于多层结构的高功率密度和高能量密度的新概念电池型超级电容器的方法，包括以下步骤：1)在基底上涂布Bi2S3/CNT材料并干燥；2)在氧化石墨烯溶液中，电化学沉积使氧化石墨烯吸附在步骤1)的Bi2S3/CNT薄层上；3)在KCl溶液中利用循环伏安法将步骤2)吸附在Bi2S3/CNT薄层上的氧化石墨烯还原为rGO，然后取出干燥；4)多次重复步骤1)～3)制得超级电容器电极；5)利用步骤4)制得的超级电容器电极材料组装生产所述超级电容器。优选的，涂布Bi2S3/CNT之前还包括制备Bi2S3/CNT步骤，具体制备方法为：首先取Bi(NO3)3·5H2O、硫代乙酰胺和CNT，然后将所取原材料溶于水中，最后将溶液置于160-200℃反应5-8h制得Bi2S3/CNT纳米复合物。
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