中國(guó)科學(xué)院研究所  張熊
   各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，大家上午好！
    首先我簡(jiǎn)單介紹一下電工所的基本情況，它是唯一從事工程研究的研究所。 超級(jí)電容器是做什么用的呢？主要是電網(wǎng)和低電的穿越，做一些儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。我們是從材料、器件、應(yīng)用方面做了一些研究工作。前一段時(shí)間聽電工院的領(lǐng)導(dǎo)說超級(jí)電容器太貴了，對(duì)我們的打擊也是有一些的。聽各位老總給我們描述了非常好的前途，作為標(biāo)準(zhǔn)性的研究和工作，也是給了我們一些希望。
    大家也了解了一些，我們做學(xué)術(shù)會(huì)議的話，基本上鋰電池會(huì)議是好幾個(gè)會(huì)場(chǎng)，超級(jí)電容器跟其他電池就混在一起了，說明鋰電池是在國(guó)內(nèi)比較熱門的行業(yè)。
    但是我們這個(gè)行業(yè)發(fā)展也是有一定空間的，國(guó)家重視的話，研發(fā)經(jīng)費(fèi)也投入比較多，對(duì)我們的研究也是幫助的。因?yàn)槲覀兪亲鰟?dòng)力型鋰電池的，對(duì)我們也很嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以說對(duì)產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展，也需要我們繼續(xù)往前努力。
    材料主要是分碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。如果我的電極材料做到兩百或者三百，實(shí)際上我們領(lǐng)導(dǎo)也是看到了報(bào)道，兼顧高能量密度和功率度。我們跟國(guó)外的技術(shù)差別也是很大的，一味的追求高能量密度的話，功率密度是達(dá)不到好的效果的。
    另外是電解液，早期是水系電解液發(fā)展到有機(jī)電解液，在日本已經(jīng)禁止出售超級(jí)電容器了。另外是離子液體，當(dāng)然它是一種液態(tài)的。電導(dǎo)率高的話我們做超級(jí)電容器還是可以接受的，最突出的特點(diǎn)是點(diǎn)化學(xué)窗口比較寬。
    我們做研究是比較關(guān)注怎么提高超級(jí)電容器性能，右邊的公式大家是很熟悉的。電壓主要是電池的構(gòu)造、電極材料等等。電池性能一定是可用的，還要考慮到循環(huán)壽命，我們也是從這些方面做研究工作的。
    這是我們電工所的研究工作，與多孔石墨烯也有聯(lián)系。這是英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，還獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。歐盟也提出了石墨烯的計(jì)劃，整個(gè)是十億歐元的資助，主要是針對(duì)能源領(lǐng)域的石墨烯研究。我們也十分關(guān)注石墨烯的優(yōu)勢(shì)，但是石墨烯堆積的，這就大大減少了比表面積，實(shí)際上可利用的電容性會(huì)減少。
    這個(gè)也是我們比較擅長(zhǎng)的，活性炭多孔石墨烯。我們采取了將金屬鎂條在二氧化碳?xì)怏w中點(diǎn)燃并放在碳酸氫銨溶液中，成功制備出高質(zhì)量且含有大量介孔結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，燃燒25G鎂條得到1G石墨烯。
    再一個(gè)是對(duì)超級(jí)電容器在離子液體下電解液下能量密度最高做到51WH/KG，我們做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)耗時(shí)，并且也是費(fèi)力的過程，放到二氧化碳?xì)怏w下燃燒可以提供材料，另外我們也驚喜的發(fā)現(xiàn)通過控制不同反應(yīng)溫度，可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)碳納米材料的可控制備。碳材料比表面積和孔結(jié)構(gòu)是最大的因素，比表面積做到762平米每克，現(xiàn)在可以做到80WH/KG，規(guī)律密度高大20WH/KG，能量密度仍保持33WH-KG。
    我們不能回避的問題是石墨烯密度太小，采用石墨烯活性炭復(fù)合在上面，也可以達(dá)到很好的性能。我們離子液體受溫度的影響是很大的，高溫的時(shí)候比表面積升上去了，當(dāng)然也是正極和負(fù)極材料的指標(biāo)。把石墨烯活性炭混合的話，顯著的改善了超級(jí)電容器性能，鋰電池也是這樣去做的，可能這是一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)。
    第二部分主要是講超級(jí)電容器國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的研究，各位領(lǐng)導(dǎo)也說包括我們自己調(diào)研了超級(jí)電容器關(guān)鍵材料的現(xiàn)狀。根據(jù)我們自己的經(jīng)驗(yàn)到的一些資料，活性炭是日本可樂麗的，粘結(jié)劑也是日本GSR的。有機(jī)電解液是新宙邦，隔膜是日本NKK，導(dǎo)電劑是瑞士Timcal，集流體是日本JCC的。所以我們想的是這種關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)的行不行呢？ 活性炭電極材料與河南滑縣大潮林合作，比表面積1878平米每克，孔容是0.89立方厘米每克，微孔孔融是0.45立方厘米每克。我們發(fā)現(xiàn)這張圖比電容比YP-50F高，內(nèi)阻比YP-50F低。但是也存在一些問題，某些指標(biāo)確實(shí)是不比日本的差多少，國(guó)內(nèi)一些廠商也在批量的用活性炭了。另外是粘結(jié)劑，一個(gè)是PVdF/NMP，還有一個(gè)是PTFE、CMC+SBR，LA135是中科院成都有機(jī)所研制的國(guó)產(chǎn)粘結(jié)劑，成本很低，也基本上沒有什么傷害。
   活性炭電極片以LA135作為粘結(jié)劑，導(dǎo)電添加劑在活性炭表面均勻分散�；钚蕴侩姌O片的熱穩(wěn)定性能，采用LA135與其他粘結(jié)劑相比，所制備的活性炭電極片熱穩(wěn)定性能最好。電化學(xué)性能的比較采用L135作為粘結(jié)劑制備的活性炭電極比電容最高，內(nèi)阻居中循環(huán)1萬次容量保持率為92.3%的保持率。
    電解液也是我們關(guān)注的領(lǐng)域，與北京化學(xué)試劑研究所合作開發(fā)的新型有機(jī)電解液，目前可以做到3.0V，具有非常好的雙電層電容特性，2.5V到3.5V，充、換電的效果很好。我們也做了3V電壓窗口下電化學(xué)性能比較，144F/G倍率特性好，超級(jí)電容器比電容保持率和庫(kù)侖效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系比較，循環(huán)壽命還需要進(jìn)一步優(yōu)化。在前面研究的基礎(chǔ)上，也是嘗試的做了一些大容量的活性炭及超級(jí)電容器的制備技術(shù)，我們有活性炭電極片200F器件的能量密度8.8WH/KG，最大功率密度10KW/KG，+1100F軟包裝超級(jí)電容器，能量密度達(dá)到6.9WH/KG。
    第三個(gè)講一下新一代超級(jí)電容器 ，我們想做一個(gè)正極和負(fù)極的電池儲(chǔ)能器件，能量密度36.2WH/KG，功率密度達(dá)到3WK/KG。我們也看到另外一點(diǎn)是自放電，我認(rèn)為是超級(jí)電容器的一個(gè)缺點(diǎn)。據(jù)我了解超級(jí)電容器真正用的時(shí)候，要有電源給超級(jí)電容充電，才可以，然而是它本質(zhì)的因素還是其他原因造成的自放電，這個(gè)問題值得研究。
   然而如何提高功率密度呢？首先要做三角形的充放電曲線，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)極對(duì)功率性能影響非常大，可以利用負(fù)極平臺(tái)附近的電位區(qū)間，從而提高器件工作電壓和能量密度，通過一些循環(huán)壽命的測(cè)試，現(xiàn)在做到了兩萬次。
最后講一下系統(tǒng)集成及應(yīng)用，早期主要是太陽(yáng)能路燈中的應(yīng)用，另外是1千瓦的光伏的超級(jí)電容器系統(tǒng)。磁浮列車制動(dòng)能量回收裝置，可以達(dá)到90%能量的回收。儲(chǔ)能單元內(nèi)含120只儲(chǔ)能單元，達(dá)到了能量回收的效果。另外一個(gè)是超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)期，超級(jí)電容器時(shí)間常數(shù)約為1S，設(shè)計(jì)補(bǔ)償時(shí)間約為2S。為滿足各種能量包可以用于微電網(wǎng)的超級(jí)電容器蓄電池復(fù)合儲(chǔ)能裝置。儲(chǔ)能單元有20只，165F、48V的模組，鉛酸電池的儲(chǔ)能成本21.4%。
從以上幾個(gè)方面來講，石墨烯材料仍是下一步研究重點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)化技術(shù)也是發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制備技術(shù)。再一個(gè)是充分發(fā)揮超級(jí)電容器的長(zhǎng)壽命、高功率密度、工作溫度和安全等方面的優(yōu)勢(shì)。加強(qiáng)超級(jí)電容器系統(tǒng)集成，應(yīng)用開發(fā)的投入，積極宣傳其能效。
 
    
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