時志強：開啟電力能源存儲與利用的新時代—超級電容器技術(shù)與應(yīng)用

時間:2015-12-30 15:05來源:中國電池聯(lián)盟 作者:西顧
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      大家看到這個題目，可能感覺比較新，這只是我自己對超級電容器應(yīng)用的一個認(rèn)識，我認(rèn)為未來超級電容器在電力能源存儲方面有光明的前景，所以我起了這個名字，因為我們是搞研究，搞行業(yè)的人有人認(rèn)為超級電容的應(yīng)用和鋰離有競爭，前途可能不光明。但是從我做的技術(shù)來講，我認(rèn)為未來還是有自己的夜視，大家忽略下面的題目，關(guān)注到下面超級電容器技術(shù)和應(yīng)用的進展，想講一下我們自己對技術(shù)的認(rèn)識。
 
       我自己一直在國內(nèi)成長起來，在天津大學(xué)一直從事超級電容器的材料和器件技術(shù)的研究。課題組主要定位在以炭材料為核心組裝器件的研究，可以運用超級電容器。下面講一下我自己對能源利用和超級電容器技術(shù)的認(rèn)識，從發(fā)展技術(shù)來講經(jīng)過了幾代，從最早期的資源，比如說閃電打雷起火，極大的改善了人類生活的品質(zhì)。隨著材料技術(shù)和人類對能源方式的利用方面，人類的進步是實現(xiàn)跨越的。所以一直到鉆木取火和煤、石油的利用以及電力的普及。每一代材料和技術(shù)的進步都引領(lǐng)著人類文明進步的歷程隨著化石能源大規(guī)模的統(tǒng)計應(yīng)用，大家對技術(shù)認(rèn)識沒有先進性到滯后的現(xiàn)象。
 
       所以說未來可能以清潔能源有更高的期待，這是我們未來的機會。對于清潔能源來講，包括水能、核能、太陽能儲能、風(fēng)力發(fā)電等等這些方式，每個技術(shù)都在走自己進步的路。但是從這些新能源在整個能源利用的占比來講，目前還是比較低的，可能是不超過15%。所以從發(fā)展的角度來講，每一種新能源技術(shù)我都認(rèn)為它是有廣闊的發(fā)展。
 
       大家是以樂觀的心態(tài)期待新能源的地位，需要大家去努力才能實現(xiàn)偉大的能源夢，需要大家繼續(xù)去努力。這個夢，有可能是可以實現(xiàn)的。新型能源汽車在最近大規(guī)模普及的過程中也有一些問題，安全性隱患還是暴露的�，F(xiàn)在也期待新型的更加高效、安全的這種能源。所以在整個能源的其間里面，傳統(tǒng)的新能源器件有一些缺陷，安全性的問題，主要還是來自于它的原理，所以在這個里面除了傳統(tǒng)的新能源器件的應(yīng)用，人們最近幾年對超級電容器有更高的期待。
 
       雖然它的比能量比較低，像曹秘書長講的也能夠做主電源，引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展，不是說大家一窩蜂的看好一個行業(yè)大家一起做。未來，我想超級電容器的路在應(yīng)用。你需要把你的技術(shù)找到適合的應(yīng)用場合，呼吁一下各位企業(yè)，它的生命在于你自己的發(fā)現(xiàn)，這是我自己對市場技術(shù)的認(rèn)識。
 
       下面簡單講一下超級電容器技術(shù)本身的發(fā)展，主要是以我自己對技術(shù)的進程講的，這個技術(shù)本身出現(xiàn)的很早，技術(shù)原理是1879年提出來，真正實現(xiàn)器械化是1957年日本通用。1970年日本的NEC和松下電器公司獨立實現(xiàn)商品化。在90年代末，隨著美國零排放法案和電動汽車呼聲的提高，人們對新能源儲能器件的搜索，把超級電容器列入了考察范圍。經(jīng)過評估以后，發(fā)現(xiàn)超級電容器在功率密度方面有很大的優(yōu)勢，2000年之后美國麥斯?fàn)柟救澜邕M入布局的推廣，伴隨著功率發(fā)電和技術(shù)的普及，在中國實現(xiàn)了真正的普及。
 
        目前能量型超級電容器越來越受到重視，保持功率密度和能源不降低的情況下，如何提高能量密度是重大的課題。我們從自己做的材料來講，未來超級電容器的出路也在材料，最早是平板雙電層，然后出現(xiàn)了不同的理論模型。大家對理論模型的深入，對雙電層形成的過程有了更清晰的認(rèn)識。但是到今天我自己認(rèn)為對于雙電層電容器來講，形成過程大家沒有完全搞清楚。比如說工作電壓只能到2.7V，這個是需要大家去思考的。這個是上世紀(jì)60年代提出來的溶劑化模型，在電極表面有溶劑層，外面有溶劑化離子層。但是我們經(jīng)過十幾年的研究發(fā)現(xiàn)，需要對雙電層結(jié)構(gòu)需要認(rèn)識。當(dāng)然，也有很多問題，但是我只是提出來，未來超級電容器材料的設(shè)計需要從結(jié)構(gòu)的方面考慮。
 
        最近幾年我提出這個題目的原因，是因為超級電容器的應(yīng)用在廣泛的領(lǐng)域拓展，雖然目前的市場接受還是有一段的時間，但是特的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)被這些市場所接受。包括油電混合的，重型卡車的啟動和 能量回饋等等，國內(nèi)也有企業(yè)關(guān)注到。在軍工和宇航方面都有所涉及，國家相關(guān)部門在做。另外是日本做的工作，減少氮氧化物排放，日本已經(jīng)做了將近十年的工作了。
  
        另外一個是北京交大的老師講過，在地鐵上超級電容器的應(yīng)用。另外一個應(yīng)用是南車做的以超級電容器為主做的新的交通方式，慢慢被很多城市接受。第一條示范線是海陸線，廣州地鐵也進入了這套系統(tǒng)，這種方式已經(jīng)慢慢被一些人所接受。原來傳統(tǒng)電動汽車的市場，超級電容器也是未來開拓的領(lǐng)域。
 
         這是超級電容器做電動汽車的供電系統(tǒng)，進站的時候供電不是傳統(tǒng)電網(wǎng)供電，它是后面的儲能電站自身充電，未來有可能有用。另外是做這種大功率電源，這個是一直存在的市場，超級電容器也已經(jīng)開始逐漸的在拓展應(yīng)用。
 
        另外一個是港口機械里面的輪胎吊，主要問題還是價格。在石油鉆井行業(yè)也已經(jīng)對超大功率運行的儲能裝置的應(yīng)用要求，它可以減緩內(nèi)燃機的排放，節(jié)約能源，能量可以回饋，這些應(yīng)用都可以擴展。超級電容器用的最多的是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，貢獻非常大的。日本2003年就做過風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定化裝置，DCBC轉(zhuǎn)換做中間的蓄水池，不穩(wěn)定的電通過超級電容器儲存并到傳統(tǒng)電網(wǎng)里面，可以減少傳統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊，基本上是可行的，主要還是成本問題。
 
        未來隨著電動汽車應(yīng)用的普及，可能應(yīng)急的充電需要會催生移動能源庫，未來的能源是一個可以移動，很便捷，很方便的實現(xiàn)傳輸。
 
         前面主要講的是超級電容器最近的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)用市場還是在不斷的拓展，做超級電容器的人需要思考自己產(chǎn)品的特點，應(yīng)用在哪些場合。下面簡單講一下超級電容器的儲能原理，它是雙電層儲能方式。我自己分析這種方式，充電的時候從電子轉(zhuǎn)換到電殼，中間沒有發(fā)生變化。而鋰離子電池需要鋰離子遷移，中間的反應(yīng)過程限制了它不能進行電流的充放電，對材料結(jié)構(gòu)會有破壞。另外，它容易實現(xiàn)金屬鋰的沖擊，反復(fù)充放電容易發(fā)生隱患。
 
         超級電容器會比鋰離子電池安全，這也是超級電容器非常大的優(yōu)勢，除了前面的技術(shù)優(yōu)勢以外，安全的優(yōu)勢也是非常好的方面。和傳統(tǒng)的儲能器件的性能對比來講，能量對比圖里看出它的比能量最低，目前有5個瓦時每公斤，電池是它的30倍。但是有一個參數(shù)，鋰離子電池的循環(huán)壽命一般有一千到五千次，超級電容器循環(huán)壽命可以實現(xiàn)一百萬次，每次儲能密度乘以它的循環(huán)密度，自己定義的可儲存的能量，比鋰電池高兩個數(shù)量級。雖然它有低的能量密度，如果說乘以它的次數(shù)的話，會發(fā)生一個轉(zhuǎn)變。
 
         這是典型儲能器件全壽命周期儲存的總能量，從這個角度來講，超級電容器比能量低只是單次的，另外一個是成本問題。全生命周期可以用十年，鋰離子電池全生命周期可以用兩年。如果這樣的成本疊加到里面以后，超級電容器真正的成本是可以重新去估算的，這也是我對超級電容器技術(shù)優(yōu)勢的認(rèn)識。
 
         開啟電力能量儲存與利用的新時代，怎么做呢？第一個我認(rèn)為是超級電容器技術(shù)獨特的儲能原理，超級電容器在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，第三個是超級電容器也要經(jīng)得起市場的檢驗。
 
          我們這個團隊2003年涉足到電容器，現(xiàn)在做超級電容器的活性材料，2007年做過嘗試。2008年轉(zhuǎn)換到超級電容器的電極，包括逐步和單F的電極。同時這個時期開展了高比能超級電容器的研究，提出了雙炭離子插層，從5瓦時提高到10到15瓦時。到2014年左右，我們認(rèn)為在超級電容材料和器件積累方面，完成了中時試和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的積累，這個是對超級電容器材料整個系統(tǒng)化的研究，包括它的結(jié)構(gòu)和面積，孔結(jié)構(gòu)調(diào)控。
 
          另外，對高電壓化的超級電容器的特性進行深入的研究。未來超級電容器的能量密度的提高只有兩種方式，一種是提高比能力，還有一種是提高工作電壓。從提高電壓的角度，工作電壓可以從現(xiàn)在的2.7提高到3.5的。
 
          活性炭雙炭電極去封裝，這個時候超級電容器的能量密度只有兩瓦時每公斤左右，同時是水系的產(chǎn)品。后來活性炭纖維電極引入到電容器領(lǐng)域，比能量提高到三到五瓦時每公斤�；钚蕴侩姌O電容器極大提高了密度，實現(xiàn)了五到六瓦時的能量密度，目前世界主流的方式也是活性炭電極的方式。
 
          下面講一下高耐壓電解液，目前來看只有極少數(shù)的電極材料可以超越。傳統(tǒng)的活性炭材料符合規(guī)律，所以說C是沒有辦法提高的，人們想辦法提高A。另外一個問題是雙電層的公式大家看一下，研究比表面積和孔結(jié)構(gòu)的時候，更多關(guān)注的面積，D是可以改變的。未來想繼續(xù)提高比能量，需要在這些方面去關(guān)注。
 
          提高電壓是不是非常容易的呢？這是國外做的一些工作，超過2.75以后，正極和負(fù)極會大大增加不可逆反應(yīng)的概率，同時使材料的結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞。這是我們自己實驗的結(jié)果，3.0V循環(huán)一萬次以后，負(fù)極的顆粒結(jié)構(gòu)像溶化的瀝青一樣，主體結(jié)構(gòu)被破壞，3.2V的時候更加嚴(yán)重。如果想提高電壓，就要減少電解液和表面的結(jié)合，包括比表面積的調(diào)控，從降低比表面積去思考，減少它的表面活性點。
 
         另外一個方式是可以減少電解液的離子成分，同樣的孔結(jié)構(gòu)里面可以使得雙電層的厚度減少。我們在這方面也做了一些探索，0.68納米減少到0.5個納米新型的電解源距電解表面比例更小，這是我們合成的一些結(jié)果。
 
        它的主要的優(yōu)點是只有0.5個納米，同時有寬的變化窗口，有高的電解鋁和溶解性，對于您提升性能有保障，可以實現(xiàn)從電解液的角度調(diào)節(jié)。同樣的電極材料可以提高10%到15%的比能量，由于離子值比較小，面積增加了，容量變大了。和傳統(tǒng)的相比，耐電壓特性也大幅度提高了，3.0V和3.2V各個條件下都很好，但是有一個問題，國內(nèi)還沒有用好，所以說這個其實是需要結(jié)合炭材料的一些改進。
 
        這個結(jié)果經(jīng)過調(diào)配以后，電導(dǎo)率可以提高15%以上，黏度可以大幅度降低的。第二個是功率提醒和比能量，比傳統(tǒng)的要大，可以做到十千瓦每公斤以上的能量。另外是高耐壓特性，在3.0V的情況下，比現(xiàn)有的產(chǎn)品高20%的比能量。在3.0V下循環(huán)一萬次，比現(xiàn)有的要好。在3.5V的條件下，衰減還是比較快的。
   
        另外一個電解液的優(yōu)點是在使用碳酸比性質(zhì)的條件下實現(xiàn)了負(fù)50度的應(yīng)用，在PC電解液的應(yīng)用是不能實現(xiàn)的。在超低溫應(yīng)用情況，這個工作新型的添加劑使用，可以使用負(fù)60度，保持85%以上的比能量。大家看在負(fù)60度的條件下，隨著電容密度增加，比能量迅速衰減，本身的溫度是在負(fù)50度左右，失去了電解液的功能，加入電解液以后可以保持85%以上的比能量。
 
        傳統(tǒng)的活性炭提高比能量，從比能量和工作電壓都是非常困難，比較大的。但是和其他技術(shù)的結(jié)合，相對來講提高比能量是不同的。包括鉛酸電容和鋰離子電容，這個是日本富士重工2005年8月最先報道的，通過炭電極的鋰離子預(yù)摻雜，鋰離子電容器能量密度可實現(xiàn)20瓦時，比能量可以提高到4倍。我們的目標(biāo)是二到四瓦，循環(huán)壽命是一萬次，這是一個電容器的組裝過程。
 
         這個數(shù)據(jù)是報告里面的一些內(nèi)容，最終經(jīng)過努力是實現(xiàn)了30瓦時的比能量，功率密度30挖每公斤，循環(huán)次數(shù)大于一萬次。同時，經(jīng)過工作以后，我們下一步的研究目標(biāo)會繼續(xù)提高，實現(xiàn)4.2V到4.5V的提高，比功率在三千瓦時每公斤。主要的困難在于正極容量的限制，目前用活性炭的比能量是45毫安左右。但是在負(fù)極這一塊，有八十到一百毫安，正極能量如果繼續(xù)提高，這種設(shè)計還可以提高比能量，但是困難也是非常大的。
 
         另外一個我們提出來對于雙電層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，通過材料的設(shè)計可以實現(xiàn)從靜電的雙電層模型，電極空間的利用率會大幅度提高，這個工作一直在做，但是還沒有達到最終的效果。這個是它的工作原理，同時這個體系里面電解液的離子是可以選擇的，選擇超級電容的電解液，通過材料和電解液的選擇，整個容量比配是可以實現(xiàn)對工作電壓的調(diào)節(jié)和功率密度、能量循環(huán)的調(diào)節(jié)。
 
          我們在活性炭產(chǎn)業(yè)化積累方面一直在做工作，最近會正式的往外推這個技術(shù)，這個技術(shù)是我們和天津大學(xué)的王教授做的。我本身在那里學(xué)了十年，工作以后合作了五六年。我們也建立了一個鋰離子電容器工藝示范線，中試和實驗室工藝，做了豐富的研究。
 
          最后，未來還是雙電層超級電容器作為主導(dǎo)，技術(shù)是一個方面，價格還是有優(yōu)勢的。隨著電池材料不斷的進步，在保持功率密度的情況下，比能量從三到四瓦時提升，包括李總講過他們也做了非常扎實大量的工作，產(chǎn)業(yè)化的時間大概經(jīng)歷了十年，而且他們的產(chǎn)業(yè)化步伐遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于他們當(dāng)時的目標(biāo)，里面的挑戰(zhàn)非常大。
 
          我們是2007年關(guān)注到他們的工作，進入到這個領(lǐng)域，到今年還不到十年，所以還有一點時間可以繼續(xù)努力。未來隨著新型材料的開發(fā)，超級電容器的離子體系更豐富，比能量和性能實現(xiàn)真正的設(shè)計和調(diào)節(jié)，這是我們對器件的認(rèn)識，所以未來的超級電容器的性能提升是非常有希望的。
 
          我們對國家的支持表示感謝，謝謝大家！
 
 
 
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    2016年版的《新能源汽車藍(lán)皮書》即將發(fā)行之際，中國汽車工業(yè)協(xié)會副秘書長李萬里談了自己的幾點感想。 一、新能源汽車是支撐汽車產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)型戰(zhàn)略地位的重要保障 當(dāng)前中國汽車產(chǎn)業(yè)面臨著三個重大變化和一個基本不變的局面。三個重大變化是：第一，國內(nèi)外都處于
    2016-08-04 10:17

  • 墨柯：電動汽車市場發(fā)展已基本擺脫油價掣肘

    墨柯分析稱，電動汽車市場發(fā)展已基本擺脫油價掣肘：2011年-2014年上半年全球電動汽車市場高速發(fā)展，一定程度上得益于高油價。2014年下半年開始油價暴跌，短暫影響了電動汽車市場的發(fā)展速度。2015年下半年至今，原油價格長期在40美元/桶以下的低價位徘徊，而
    2016-04-29 08:38

  • 賈躍亭：要顛覆特斯拉電動汽車主導(dǎo)地位

    電動車是當(dāng)下新能源汽車的發(fā)展趨勢之一，而特斯拉顯然已經(jīng)成為公認(rèn)的電動車發(fā)展史上的主演�，F(xiàn)在從樂視押注汽車，賈躍亭投資美國電動車初創(chuàng)公司Faraday Future來看，近年來賈躍亭十分看好電動汽車產(chǎn)業(yè)。他在接受采訪時也表示，要顛覆特斯拉的主導(dǎo)地位。 據(jù)報
    2016-04-26 09:42

  • 廣汽吳松：傳祺新能源汽車要后來居上 明年開啟大規(guī)模推廣

    4月25日開幕的2016北京國際車展上，廣汽傳祺重磅出擊，帶來首款純電SUV GS4 EV、純電概念車EV Coupe以及GA5 PHEV，展示在新能源領(lǐng)域的核心技術(shù)和環(huán)保理念。廣汽集團執(zhí)行董事、廣汽乘用車董事總經(jīng)理吳松在接受記者采訪時表示，2016~2017年將投放5款新能源汽車
    2016-04-26 09:21

  • 發(fā)改委姜克雋：10年后國企電動汽車產(chǎn)能會過剩

    近日，在2016中國綠公司年會環(huán)境治理：危機與出路分論壇上，國家發(fā)改委能源研究所研究員姜克雋大膽的指出，央企國企現(xiàn)在一窩蜂的搞電動汽車，但是由于國企機制僵硬，很難搞起來，八到十年后國企的電動汽車又會成為新的過剩產(chǎn)能。 十三五期間，中央政府高度重
    2016-04-25 09:22

  • 專訪科力遠(yuǎn)張彤：2018年將迎來混合動力汽車大規(guī)模推廣

    國內(nèi)車企正一邊倒發(fā)展新能源汽車時，吉利集團與科力遠(yuǎn)卻瞄準(zhǔn)了另外一條技術(shù)發(fā)展路徑混合動力，共同成立科力遠(yuǎn)混合動力有限公司(簡稱CHS公司)，發(fā)展混合動力系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)品平臺。4月12日中汽協(xié)信息發(fā)布會期間，科力遠(yuǎn)首席科學(xué)家張彤接受了第一電動網(wǎng)采訪，詳
    2016-04-25 09:17
本月熱點

  • 注冊資本近1.15億元！兩巨頭成立電池回收企業(yè)

    近日，廣州優(yōu)美再生技術(shù)有限公司（以下簡稱廣州優(yōu)美）正式成立，公司由優(yōu)湃能源科技（廣州）有限公司與格林美集團下屬武漢動力電池再生技術(shù)有限公司有限公司（以下簡稱動力再生）攜手打造。 據(jù)了解，廣州優(yōu)美注冊資本約1.15億人民幣，經(jīng)營范圍含化工產(chǎn)品銷售
    2024-04-16 10:29

  • 寧德時代、科達利、特斯拉等發(fā)力這一新賽道！

    4月22日，科達利發(fā)布公告稱，公司與臺灣盟立臺灣盟立、臺灣盟英擬共同投資深圳市科盟創(chuàng)新機器人科技有限公司（以下簡稱深圳科盟）并簽署《投資合作協(xié)議書》。深圳科盟并簽署《投資合作協(xié)議書》。深圳科盟注冊資本擬為人民幣1億元，其中公司以現(xiàn)金方式投入人
    2024-04-24 10:11

  • 續(xù)航里程1000公里！寧德時代發(fā)布神行PLUS電池

    4月25日，在2024北京車展上，寧德時代舉行乘用車新品發(fā)布會，發(fā)布神行PLUS電池，續(xù)航里程1000公里。同時，充電10分鐘可續(xù)航600公里。
    2024-04-25 17:53

  • 天奇股份牽手長安汽車 共同打造動力電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)！

    天奇股份4月18日公告，擬與中國長安、長安汽車共同投資設(shè)立合資公司，并以合資公司為主體合作開展電池回收、梯次利用及再生業(yè)務(wù)。目標(biāo)打造成為西南區(qū)域領(lǐng)先的電池回收標(biāo)桿企業(yè)。 合資公司的注冊資本為1.8億元，其中公司擬出資8820萬元，持有合資公司49%的股
    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負(fù)極材料項目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計劃通過其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項目公司，實施一項年產(chǎn)10萬噸鋰離子電池負(fù)極材料一體化基地項目 。 據(jù)了解， 項目計劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線，誰將最終勝出？

    近年來，憑借高密度、更安全性、壽命長等優(yōu)點，被認(rèn)為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績預(yù)告，預(yù)計今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營業(yè)務(wù)開展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷量、產(chǎn)品價格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說明是否存在持續(xù)虧損風(fēng)險等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時間！

    當(dāng)?shù)貢r間4月16日，日產(chǎn)汽車公開全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預(yù)定設(shè)置場所，在生產(chǎn)發(fā)動機等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬平方米空間，為搬入設(shè)備推進施工。 日產(chǎn)計劃2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)2028年度實現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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