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

時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)名字,因?yàn)槲覀兪歉阊芯,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(jìn)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(yùn)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(jìn)步是實(shí)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(jìn)步都引領(lǐng)著人類文明進(jìn)步的歷程隨著化石能源大規(guī)模的統(tǒng)計(jì)應(yīng)用,大家對技術(shù)認(rèn)識沒有先進(jìn)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(jī)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(gè)技術(shù)都在走自己進(jìn)步的路。但是從這些新能源在整個(gè)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(shí)現(xiàn)偉大的能源夢,需要大家繼續(xù)去努力。這個(gè)夢,有可能是可以實(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(jìn)程講的,這個(gè)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(shí)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(dú)立實(shí)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(jìn)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(shí)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(gè)是需要大家去思考的。這個(gè)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(jì)需要從結(jié)構(gòu)的方面考慮。
 
        最近幾年我提出這個(gè)題目的原因,是因?yàn)槌夒娙萜鞯膽?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(shí)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)站的時(shí)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(gè)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(gè)是港口機(jī)械里面的輪胎吊,主要問題還是價(jià)格。在石油鉆井行業(yè)也已經(jīng)對超大功率運(yùn)行的儲能裝置的應(yīng)用要求,它可以減緩內(nèi)燃機(jī)的排放,節(jié)約能源,能量可以回饋,這些應(yīng)用都可以擴(kuò)展。超級電容器用的最多的是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域,貢獻(xiàn)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(gè)可以移動,很便捷,很方便的實(shí)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(diǎn),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(shí)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(jìn)行電流的充放電,對材料結(jié)構(gòu)會有破壞。另外,它容易實(shí)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(gè)瓦時(shí)每公斤,電池是它的30倍。但是有一個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)角度來講,超級電容器比能量低只是單次的,另外一個(gè)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(shí)代,怎么做呢?第一個(gè)我認(rèn)為是超級電容器技術(shù)獨(dú)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(gè)是超級電容器也要經(jīng)得起市場的檢驗(yàn)。
 
          我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)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(shí)這個(gè)時(shí)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(shí)提高到10到15瓦時(shí)。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(shí)試和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的積累,這個(gè)是對超級電容器材料整個(gè)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(jìn)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(gè)時(shí)候超級電容器的能量密度只有兩瓦時(shí)每公斤左右,同時(shí)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(shí)每公斤;钚蕴侩姌O電容器極大提高了密度,實(shí)現(xiàn)了五到六瓦時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)使材料的結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞。這是我們自己實(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)。
 
         另外一個(gè)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(gè)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(diǎn)是只有0.5個(gè)納米,同時(shí)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(shí)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(gè)條件下都很好,但是有一個(gè)問題,國內(nèi)還沒有用好,所以說這個(gè)其實(shí)是需要結(jié)合炭材料的一些改進(jìn)。
 
        這個(gè)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(gè)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(gè)電解液的優(yōu)點(diǎn)是在使用碳酸比性質(zhì)的條件下實(shí)現(xiàn)了負(fù)50度的應(yīng)用,在PC電解液的應(yīng)用是不能實(shí)現(xiàn)的。在超低溫應(yīng)用情況,這個(gè)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(gè)是日本富士重工2005年8月最先報(bào)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(shí)現(xiàn)20瓦時(shí),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(gè)電容器的組裝過程。
 
         這個(gè)數(shù)據(jù)是報(bào)告里面的一些內(nèi)容,最終經(jīng)過努力是實(shí)現(xiàn)了30瓦時(shí)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(shí),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(shí)現(xiàn)4.2V到4.5V的提高,比功率在三千瓦時(shí)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(jì)還可以提高比能量,但是困難也是非常大的。
 
         另外一個(gè)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(jì)可以實(shí)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(gè)工作一直在做,但是還沒有達(dá)到最終的效果。這個(gè)是它的工作原理,同時(shí)這個(gè)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(gè)容量比配是可以實(shí)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(gè)技術(shù),這個(gè)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(gè)鋰離子電容器工藝示范線,中試和實(shí)驗(yàn)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(gè)方面,價(jià)格還是有優(yōu)勢的。隨著電池材料不斷的進(jìn)步,在保持功率密度的情況下,比能量從三到四瓦時(shí)提升,包括李總講過他們也做了非常扎實(shí)大量的工作,產(chǎn)業(yè)化的時(shí)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(shí)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(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域,到今年還不到十年,所以還有一點(diǎn)時(shí)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(shí)現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)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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    這種決策的邏輯是,別人領(lǐng)先的,我們不能搞,或只能小搞;別人和我們差不多的,我們就要大搞特稿。但如果別人在電動車領(lǐng)域也領(lǐng)先很多,那我們是不是就該歇菜或只能小打小鬧了? 當(dāng)中國聲勢浩大的電動車十城千輛大躍進(jìn)步入爛尾階段時(shí),在日本愛知縣一個(gè)小鎮(zhèn),
    2016-04-25 08:57
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    2016-08-10 14:40
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    2016-04-26 09:42
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    2024-04-18 08:43
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