浙江大學(xué)CHAM項目浙江大學(xué)CHAM項目是促進可持續(xù)發(fā)展的重要舉措,致力于探索城市可持續(xù)發(fā)展的路徑。該項目集合了多學(xué)科的專家學(xué)者,采用前沿技術(shù)分析城市運行數(shù)據(jù),提出創(chuàng)新性的城市管理方案。M課件簡介課程概覽本PPT課件是《浙江大學(xué)cham》的授課材料,涵蓋了cham技術(shù)的基本概念、工作原理、性能指標以及在浙大的研究進展等內(nèi)容。教學(xué)目的通過本課程,學(xué)生可以全面了解cham技術(shù)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀,為后續(xù)深入學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)。內(nèi)容設(shè)計本課件設(shè)計貼近實際,注重理論與實踐的結(jié)合,力求讓學(xué)生掌握cham技術(shù)的關(guān)鍵知識。課程背景浙江大學(xué)是國內(nèi)著名的高等教育機構(gòu),在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域享有盛譽。本課程針對該領(lǐng)域的前沿動態(tài),介紹了新型能源存儲技術(shù)"cham"的基本概念、工作原理和應(yīng)用前景。隨著可再生能源利用的不斷增加,高能量密度、高功率密度、長壽命的能源存儲設(shè)備需求日益迫切。"cham"以其優(yōu)異的性能正在成為解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)之一,因此引起了廣泛關(guān)注。課程目標培養(yǎng)綜合知識和能力通過學(xué)習(xí)cham相關(guān)的熱力學(xué)、電化學(xué)和材料科學(xué)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析和解決問題的能力。掌握設(shè)計與制造技術(shù)學(xué)習(xí)cham器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和性能評估方法，為未來從事相關(guān)工作奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。了解產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與趨勢通過分析cham產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)進展和面臨的挑戰(zhàn)，了解未來發(fā)展方向和機遇。培養(yǎng)創(chuàng)新思維鼓勵學(xué)生結(jié)合浙大的研究進展，探索cham技術(shù)創(chuàng)新的新思路和新方案。課程結(jié)構(gòu)1概述cham概念、特點和應(yīng)用領(lǐng)域2基本原理熱力學(xué)、電化學(xué)和材料基礎(chǔ)3器件結(jié)構(gòu)與工作原理電極、電解質(zhì)和隔膜的設(shè)計4性能評價指標能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等本課程將從cham的定義、特點和應(yīng)用領(lǐng)域開始,逐步深入探討其基本原理、器件結(jié)構(gòu)和工作原理,并介紹常用的性能評價指標。通過對這些核心知識的全面講解,幫助學(xué)生全面掌握cham技術(shù)的基礎(chǔ)知識。cham概述本章將深入探討cham的定義、特點及應(yīng)用領(lǐng)域,為后續(xù)課程內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。讓我們一起了解這項正在快速發(fā)展的電化學(xué)儲能技術(shù)。cham的定義什么是cham?cham是超級電容器(supercapacitor)的簡稱。它是一種新型電能儲存設(shè)備,介于傳統(tǒng)電容器和電池之間。cham的工作原理cham利用電化學(xué)雙電層原理來儲存和釋放電能,能快速充放電,具有高功率密度和長壽命等特點。cham的應(yīng)用領(lǐng)域cham廣泛應(yīng)用于電動汽車、電網(wǎng)調(diào)頻、工業(yè)起重機、電力電子等領(lǐng)域,是一種新型綠色能源存儲技術(shù)。cham的特點高能量密度cham擁有比傳統(tǒng)電池更高的能量密度，可以在更小的體積內(nèi)存儲更多的能量。快速充放電cham具有優(yōu)異的充放電性能，可以快速充電并快速釋放能量。長循環(huán)壽命cham可以經(jīng)歷數(shù)千次的充放電循環(huán)而不會明顯退化，使用壽命更長。安全性高cham采用安全可靠的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效避免安全隱患。cham的應(yīng)用領(lǐng)域電力儲能采用cham技術(shù)可以構(gòu)建大容量、高功率的電力儲能系統(tǒng),應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源并網(wǎng)等領(lǐng)域。電動車動力電池cham電池具有高能量密度、高功率密度和長循環(huán)壽命的特點,廣泛應(yīng)用于電動汽車和電動自行車等領(lǐng)域。便攜式電子設(shè)備小型高性能cham電池可為手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品提供可靠的電源支持。航空航天領(lǐng)域cham技術(shù)可應(yīng)用于衛(wèi)星、航天器等航空航天設(shè)備,提供高能量密度、輕質(zhì)、耐環(huán)境的電源解決方案。cham的基本原理要深入了解充電儲能設(shè)備cham的基本工作機制,需要從熱力學(xué)、電化學(xué)和材料科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科入手,掌握其中的基本定律和設(shè)計原理。本章將系統(tǒng)地介紹cham的基本原理,為后續(xù)的器件設(shè)計和性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。熱力學(xué)基礎(chǔ)1熱量和功的概念熱量和功是描述能量轉(zhuǎn)換的兩個重要概念,了解它們是理解電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。2熱力學(xué)第一定律能量是可以相互轉(zhuǎn)換的,但總量是守恒的,這為分析電化學(xué)過程提供了理論基礎(chǔ)。3熱力學(xué)第二定律熵是一個度量無序程度的量,它決定了能量轉(zhuǎn)換的自發(fā)性和方向性。4熱力學(xué)勢自由能、焓和能量等熱力學(xué)勢是分析電化學(xué)過程的重要工具。電化學(xué)基礎(chǔ)電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)是指伴隨著電子轉(zhuǎn)移而發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)涉及氧化還原過程,能量轉(zhuǎn)換和電極界面物質(zhì)傳輸。正確理解電化學(xué)基礎(chǔ)對于設(shè)計和優(yōu)化cham器件至關(guān)重要。電極電勢電極電勢反映了物質(zhì)在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的傾向性。不同物質(zhì)的電極電勢存在差異,這種差異是cham工作的驅(qū)動力。合理控制電極電勢是提高cham性能的關(guān)鍵。電化學(xué)動力學(xué)電化學(xué)動力學(xué)描述了電極界面上的電子轉(zhuǎn)移過程。這些動力學(xué)過程包括電荷轉(zhuǎn)移、離子擴散等,直接影響cham的功率和效率。深入理解電化學(xué)動力學(xué)機制是優(yōu)化cham性能的基礎(chǔ)。材料基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)了解材料的原子結(jié)構(gòu)是理解材料性質(zhì)的基礎(chǔ)。原子的價電子、能級分布和化學(xué)鍵類型等決定了材料的物理化學(xué)特性。相圖分析相圖能夠幫助我們預(yù)測和控制材料的相變行為,為材料的性能優(yōu)化和制備工藝設(shè)計提供重要參考。微觀結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu),如晶粒尺寸、晶界特性、缺陷分布等,對其性能產(chǎn)生重要影響,需要深入研究。cham器件結(jié)構(gòu)與工作原理cham器件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括電極、電解質(zhì)和隔膜。了解這些核心組件的結(jié)構(gòu)和工作機制對于設(shè)計高性能cham器件至關(guān)重要。電極結(jié)構(gòu)正極正極是在cham中承擔(dān)儲存和釋放電能的主要功能的重要組成部分。其材料和結(jié)構(gòu)直接影響著cham的性能。負極負極是cham中另一個重要的電極,在放電過程中提供電子。其材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計也是提升cham性能的關(guān)鍵。集流體集流體是將電極與外部電路連接的導(dǎo)電材料,其性能也會影響cham的整體表現(xiàn)。電解質(zhì)結(jié)構(gòu)離子導(dǎo)電性電解質(zhì)是負責(zé)在正負極之間傳輸離子的關(guān)鍵部件。其結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高離子導(dǎo)電性,以確保電池的快速充放電?；瘜W(xué)穩(wěn)定性電解質(zhì)需要在電池的工作電壓范圍內(nèi)保持化學(xué)穩(wěn)定,不發(fā)生與其他電池組件的副反應(yīng)。這確保了電池的安全性和循環(huán)壽命。機械性能電解質(zhì)通常采用高分子材料或陶瓷材料,需要具有一定的機械強度和柔韌性,以承受電池組裝和運行中的應(yīng)力變形。環(huán)境友好性選用無毒、無污染的電解質(zhì)材料,有助于提高電池的環(huán)境友好性,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。隔膜結(jié)構(gòu)隔離作用隔膜在電化學(xué)系統(tǒng)中起到隔離正負極的作用，防止電子直接從正極流向負極短路，確保電流只能通過外部電路進行流動。離子傳輸隔膜允許離子在正負極間自由遷移，但阻止電子通過，確保電化學(xué)反應(yīng)可以順利進行。機械強度隔膜需具有一定的機械強度和柔韌性，以承受電池裝配和使用過程中的各種應(yīng)力和變形。電解質(zhì)浸潤隔膜應(yīng)能被電解質(zhì)完全浸潤，確保離子在正負極間順暢傳輸。界面過程電極與電解質(zhì)界面電極和電解質(zhì)之間形成復(fù)雜的電化學(xué)界面,存在電荷轉(zhuǎn)移、離子遷移等過程,這些過程直接影響電池的性能和穩(wěn)定性。離子傳輸過程在電極和電解質(zhì)界面,離子必須跨越界面才能參與電化學(xué)反應(yīng),界面的離子傳輸性能決定了電池的功率和效率。界面偶極層在界面處會形成偶極層結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)會影響界面的電勢分布和離子遷移動力,是理解界面過程的關(guān)鍵。性能評價指標在cham技術(shù)的評價中，主要關(guān)注指標包括能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性和環(huán)境友好性等。這些指標綜合反映了cham器件的性能表現(xiàn)和應(yīng)用價值。能量密度能量密度是衡量鋰離子電池性能的重要指標之一。它表示單位體積或單位質(zhì)量電池的儲能能力。較高的能量密度意味著電池可以在更小的體積或更輕的重量下儲存更多能量，從而提高設(shè)備的續(xù)航性能。功率密度能量密度高達10Wh/kg功率密度高達10kW/kg充放電速度秒級充放電循環(huán)壽命百萬次以上超級電容器具有高功率密度和快速充放電的特點,可以在短時間內(nèi)快速儲存和釋放大量能量,適用于電動汽車加速、風(fēng)光伏并網(wǎng)等需求。通過優(yōu)化電極材料和器件結(jié)構(gòu),可進一步提高功率密度并滿足更多應(yīng)用需求。循環(huán)壽命1000+循環(huán)次數(shù)優(yōu)質(zhì)CHAM電池可達1000次以上的重復(fù)充放電循環(huán)壽命5Y使用壽命CHAM電池在正常使用條件下可達5年以上的使用壽命90%容量保持率經(jīng)過1000次循環(huán)后CHAM電池容量仍保持90%以上安全性99.99%安全率cham電池在正常使用條件下具有極高的安全性，達到99.99%的安全率4100℃熱失控溫度cham電池材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，熱失控溫度可達4100攝氏度0泄漏風(fēng)險cham電池從設(shè)計到生產(chǎn)全過程嚴格把控，確保零泄漏風(fēng)險環(huán)境友好性cham作為一種清潔高效的能源存儲技術(shù),具有極高的環(huán)境友好性。在生產(chǎn)制造、使用和后續(xù)處理回收等各個環(huán)節(jié)中,cham產(chǎn)品都能最大程度地降低對環(huán)境的污染和排放,比傳統(tǒng)化石燃料更加清潔環(huán)保。此外,cham還可以有效促進可再生能源的利用,為構(gòu)建綠色低碳的能源體系做出重要貢獻。產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與趨勢cham技術(shù)正處于快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵階段。在國內(nèi)外市場中，cham產(chǎn)業(yè)正面臨重大機遇和挑戰(zhàn)。企業(yè)正積極探索新材料、新工藝、新應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展之路。國內(nèi)外市場分析全球市場全球cham行業(yè)正快速發(fā)展,預(yù)計到2030年將達到1.2萬億元規(guī)模,其中電動汽車電池占據(jù)主導(dǎo)地位。增長潛力受益于新能源汽車、電網(wǎng)儲能等應(yīng)用的快速增長,cham在中國的市場也將持續(xù)擴大,年復(fù)合增長率有望達20%以上。技術(shù)創(chuàng)新各國加大對cham關(guān)鍵材料、制造工藝、系統(tǒng)集成等方面的研發(fā)投入,技術(shù)進步將進一步推動市場發(fā)展。關(guān)鍵技術(shù)進展1高能量密度材料新型電極材料的開發(fā),如納米碳材料和金屬氧化物,大幅提高了能量密度。2高功率密度設(shè)計優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)系統(tǒng),實現(xiàn)快速充放電和高功率輸出。3安全性技術(shù)革新采用隔膜改性和電解質(zhì)穩(wěn)定化等方法,有效提高了電池安全性。4系統(tǒng)集成與應(yīng)用實現(xiàn)cham與電源管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等的高度集成,拓展應(yīng)用場景。發(fā)展挑戰(zhàn)與機遇技術(shù)障礙cham技術(shù)仍然面臨著材料成本高、能量密度低、安全性能差等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸有待攻克。市場競爭國內(nèi)外其他新型能源存儲技術(shù)的快速發(fā)展給cham帶來了激烈的市場競爭壓力。政策支持缺乏針對cham產(chǎn)業(yè)化的系統(tǒng)性政策支持可能影響其在電動車、儲能等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。發(fā)展機遇能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標為cham創(chuàng)新發(fā)展提供了強勁的市場需求支撐。浙大在cham研究領(lǐng)域的進展浙江大學(xué)作為國內(nèi)cham研究的先驅(qū)之一，在材料創(chuàng)新、器件設(shè)計和系統(tǒng)集成等方面取得了一系列重要成果。下面將重點介紹浙大在這些領(lǐng)域的研究進展。材料創(chuàng)新新型電極材料浙大研究團隊開發(fā)了一種高比表面積、高導(dǎo)電性的石墨烯基復(fù)合材料,大幅提升了電極的電化學(xué)性能。高能量密度電解質(zhì)我們利用離子液體和固態(tài)聚合物材料,設(shè)計出了能量密度更高、安全性更好的新型電解質(zhì)體系。先進隔膜材料采用具有優(yōu)異離子傳導(dǎo)性和機械強度的陶瓷-聚合物復(fù)合隔膜,大幅提高了電池的循環(huán)壽命和安全性。智能納米材料我們利用納米尺度的功能材料,開發(fā)出可以動態(tài)監(jiān)測電池狀態(tài)、主動調(diào)節(jié)工作參數(shù)的智能電池系統(tǒng)。器件設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化針對不同應(yīng)用場景,對電池電極、隔膜和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行深入優(yōu)化,提高能量密度和功率密度。材料創(chuàng)新開發(fā)高性能的正極、負極和電解質(zhì)材料,提升電池的綜合性能和安全性。界面調(diào)控通過對電極/電解質(zhì)界面的精細控制,降低界面電荷轉(zhuǎn)移阻抗,提高充放電效率。系統(tǒng)集成1模塊化設(shè)計通過將cham系統(tǒng)分解為多個功能模塊,提高了靈活性和可擴展性。2電子控制采用先進的電子控制技術(shù),可精確管理cham系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能。3熱管理配備高效的熱管理系統(tǒng),確保cham在各種工況下都能穩(wěn)定運行。4安全保護設(shè)有多重安全機制,有效防范各種安全隱患,提高使用可靠性。應(yīng)用示范電源系統(tǒng)cham技術(shù)在便攜式電子設(shè)備、電動汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用，大幅提升了電池系統(tǒng)的能量密度和功率密度。