蓄势待发的超级锂离子电容器

更新时间2019-04-12 10:15:37  点击次数:479次 关键词:石墨电极 网址:www.yhsmdj.com

 2014年底,广州有轨电车建成通车,其采用世界上最大功率的7000F单体超级电容器组储能,和普通有轨电车相比,最大的特点是在行进中不用外部供电,仅靠停靠在站台上上下乘客的时间完成充电,充电时间仅需25秒。此种有轨电车使用的是电力这种绿色能源,不排放废汽,运行无需架空受电网,一次充电能连续行驶4公里。

 以特斯拉为代表的新能源汽车潮中,掀起了一波又一波消费者期待的浪潮。据悉2020年特斯拉将推出新一代特斯拉Roadster,续航里程达到1000公里,预计充电时间6-8小时。其使用了松下的锂离子电池系统,该系统的电池能量密度将在原来基础上提升30%,达到300Wh/kg。

       广州有轨电车和特斯拉Roadster是新能源器件应用两个方向的代表,前者拥有超大功率,可实现快充,但是能量密度低,续航里程短,后者拥有大能量密度,续航里程长,但是功率密度低,充电时间长。

随着现代社会经济的发展,能源短缺和环境污染问题日益突出,寻求替代传统化石能源的绿色能源体系以及能源的绿色节能使用模式,谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。随着信息化时代的到来,人们对快速、高效、便携、长续航能力的电子器件需求量迅速增加。

      电化学储能系统,因其具有的绿色、高效的储能特性,成为了目前电动汽车、智能电网以及便携式电子设备的重要储能装置。在诸多能量存储器件中,超级电容器和锂离子电池分别由于其高功率密度和高能量密度,备受研究者关注。

      超级电容器又称作电化学电容器,它利用电解液离子在电极材料表面的物理吸脱附完成充放电,是一个快速的表面反应过程,因此具有超高的功率密度。同时由于物理吸脱附过程高度可逆,超级电容器也表现出极好的循环稳定性,通常能够循环使用上万次。但其较低的能量密度限制了它的大规模应用。另一方面,锂离子电池作为一种高能量密度储能器件,被认为是动力电池最为理想的选择之一。其利用电解液中的锂离子在正负极电极材料中的嵌入/脱嵌等化学反应,实现大容量的充放电。但其嵌入/脱嵌反应均为体相法拉第反应,反应速度受到离子在体相中的扩散速度限制,因此他们的功率密度较差。

   虽然超级电容器和二次电池具有相对互补的特性,但是随着电动汽车的发展,人们对于同时具有高功率密度、高能量密度和长寿命的储能装置的需求也日益增长,因此将这两种器件的性能整合在一个器件中(将电池元素和电容器元素复合在同一个器件中即不对称电化学混合器件)成为研究热点。

      这种不对称设计包括串联型复合和并联型复合。串联型复合为两个电极分别为电池材料和电容器材料,负极采用锂离子电池材料,正极采用超级电容器材料,在充放电过程中电极材料表面的离子吸脱附以及锂/钠离子的嵌入/脱嵌同时发生,即为典型的串联型不对称混合器件。并联型复合是在串联型的基础上,每个电极兼具两种或两种以上的材料。通过不对称设计能够获得能量密度高于超级电容器、功率密度和循环性能优于二次电池的储能器件,而且其能量密度可望接近锂离子电池,这种器件有望用于电动汽车、电子设备等领域。

      2000年,Morimoto首次报道活性炭/嵌锂石墨混合电容器。2005年,锂离子电容器研究领先企业富士重工陆续公开了锂离子电容器制造技术。日本企业在锂离子电容器的产业化方面领先业界,目前已有JMEnergy 、旭化成FDK能源设备(AFEC)、太阳诱电、新神户电机等几家企业开始批量试产。国内上海展枭新能源科技有限公司作为杉杉股份的控股子公司成为日本JME公司在中国的锂离子电容系统集成和销售的战略合作伙伴。2018年,北京蒙京石墨新材料科技研究院将转化清华大学在非对称锂离子电容器领域的科研成果,超级锂离子电容器蓄势待发。




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