進(jìn)入綠色高效儲(chǔ)能與動(dòng)力的“新能源”時(shí)代

日前記者獲悉，四川能寶電源制造有限公司與電子科技大學(xué)超級(jí)電容器研究小組，歷時(shí)5年合作與創(chuàng)新，採(cǎi)用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高表面活性炭和石墨烯等高性能材料、新穎的電池與超級(jí)電容電極融合技術(shù)、先進(jìn)的表面改性與微結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，成功地開(kāi)發(fā)出一種新概念高性能“超級(jí)電容電池”（Supercapattery）。

包括全碳系、Ni-C系、Pb-C系等三個(gè)系列，動(dòng)力型和儲(chǔ)能型兩大類(lèi)型的“超級(jí)電容電池”產(chǎn)品，具有高功率放電、超快充電、長(zhǎng)循環(huán)壽命、充電接收能力強(qiáng)等特性。其中，全碳系的單體電容量達(dá)5000—10000法拉﹔Ni-C系和Pb-C系產(chǎn)品放電功率和循環(huán)壽命分別比傳統(tǒng)的Ni-H或鉛酸電池都提高了2—3倍，Ni-C系和Pb-C系產(chǎn)品的循環(huán)充電次數(shù)分別可達(dá)2000次和3000次以上。

目前，該成果在四川省科技廳的指導(dǎo)下，已與從事電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成設(shè)計(jì)與制造的成都聯(lián)騰動(dòng)力控制技術(shù)有限公司、從事電動(dòng)自行車(chē)制造的成都寬和科技有限責(zé)任公司，與從事分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可再生能源儲(chǔ)能電站工程的四川佳靈電氣有限公司、四川阿海琺電氣公司，以及與應(yīng)急電源開(kāi)發(fā)制造的成都富強(qiáng)電子電器科技有限公司和從事新能源器件與系統(tǒng)測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)化的中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院等密切對(duì)接，並組建四川綠色高效儲(chǔ)能與動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該產(chǎn)品可充分滿足當(dāng)前新能源時(shí)代，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)等動(dòng)力系統(tǒng)和光伏、風(fēng)電等大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電池的需要。

“超級(jí)電容電池”的誕生：從特斯拉汽車(chē)說(shuō)起

今年10月，一輛特斯拉Model S電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生著火，雖然事故原因由碰撞引起，但其中使用“鎳鈷鋰材料電池”的易燃性，再次引起人們對(duì)鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)注。

從1799年伏特制成世界上第一個(gè)電池“伏特電堆”以來(lái)，持續(xù)而穩(wěn)定的獲取能源，是人們對(duì)電池發(fā)展的不懈追求。1890年，愛(ài)迪生發(fā)明“鐵鎳電池”，可反復(fù)充放電的“蓄電池家族”從此走進(jìn)人們生活。在當(dāng)今以風(fēng)電、光伏為代表的新能源時(shí)代，“蓄電池”的重要性逐漸凸顯，能量重量比高、電壓高、自放電小、可長(zhǎng)時(shí)間存放等優(yōu)點(diǎn)的鋰電池、鋰離子電池正成為業(yè)界“寵兒”。但由於鋰金屬的化學(xué)特性非�；顫�，使得鋰電領(lǐng)域的加工、保存、使用，對(duì)成本、環(huán)境要求非常高，加之及其自燃的特性，使得鋰電池在風(fēng)電、光伏及電動(dòng)汽車(chē)等新能源儲(chǔ)能、動(dòng)力應(yīng)用方面總是差強(qiáng)人意。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)著火，也印証了這一事實(shí)。

研發(fā)一種能夠“超越”鋰電池的新材料電池，正為世界各國(guó)科學(xué)家及新能源產(chǎn)業(yè)界所重視。

2008年底，四川聚能科技在開(kāi)展自主研發(fā)的“高性能超級(jí)活性炭材料”的市場(chǎng)化和下游高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)，與電子科技大學(xué)超級(jí)電容器研究小組走到一起，決定以“超級(jí)電容集成電池技術(shù)”展開(kāi)研究開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化合作。雙方從能量存儲(chǔ)的微觀機(jī)制入手，結(jié)合物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能的特點(diǎn)，對(duì)電荷存儲(chǔ)的物理空間進(jìn)行大膽推理，提出了準(zhǔn)二維空間存儲(chǔ)電荷的電容電池構(gòu)想。這是一種將“高性能超級(jí)活性炭材料”特性，與電池和超級(jí)電容特性結(jié)合的創(chuàng)新研發(fā)成果，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種既具有電池的高能量密度，又具有電容的瞬間高功率密度，並能改變傳統(tǒng)電池環(huán)境污染、成本高昂及安全性不高等劣勢(shì)的產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)不懈探索，研究小組採(cǎi)用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型高表面活性炭材料和石墨烯技術(shù)，開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的納米化和微結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)、先進(jìn)的材料表面改性技術(shù)、創(chuàng)新性的電池與電容電極融合技術(shù)、新穎的配方設(shè)計(jì)技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)，並整合了先進(jìn)的電極加工工藝技術(shù)，最終開(kāi)發(fā)成功了具有高功率密度、高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、快充電特性和充電接受能力強(qiáng)的超級(jí)電容電池。

這種電池產(chǎn)品分為全碳系、Pb-C系、Ni-C系等三個(gè)系列，動(dòng)力型和儲(chǔ)能型兩大類(lèi)型。在全碳系超級(jí)電容電池中，功率型單體容量大於5000至10000法拉（2.7V），功率密度大於5kW/kg，循環(huán)壽命大於500000次﹔能量型單體能量密度大於25Wh/kg，循環(huán)壽命大於10000次。在Ni-C系超級(jí)電容電池中，能量密度大於60Wh/kg，功率密度大於1.5kW/kg，循環(huán)壽命大於3000次﹔在Pb-C系超級(jí)電容電池中，能量密度大於45Wh/kg，功率密度大於1kW/kg，循環(huán)壽命大於2000次。

綠色高效儲(chǔ)能：光伏、風(fēng)電等新能源產(chǎn)業(yè)變革

隨著風(fēng)電、光伏等新能源與可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為破解這些新能源間歇性、波動(dòng)性的解決方案，愈發(fā)受到重視，但行業(yè)科技進(jìn)步卻任重而道遠(yuǎn)——由於其應(yīng)用范圍廣泛，涉及到電力的輸發(fā)配、新能源、電動(dòng)汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域，儲(chǔ)能的技術(shù)路線也相對(duì)分散，截至目前儲(chǔ)能領(lǐng)域還沒(méi)有一種通用技術(shù)可以滿足全部的需求。目前，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，已被列入我國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要，預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)內(nèi)整個(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模至少可達(dá)6000億元。

如何將更多的新能源電力穩(wěn)定納入電網(wǎng)，正是“超級(jí)電容電池”未來(lái)目標(biāo)之一。

在涉及大規(guī)模儲(chǔ)能的風(fēng)電、光伏等領(lǐng)域，價(jià)格成本、能量密度比、循環(huán)壽命、能量利用率都是關(guān)鍵指標(biāo)。與現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，儲(chǔ)能型“超級(jí)電容電池”具有高功率密度、高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、充電接受能力強(qiáng)、綜合成本低廉等優(yōu)勢(shì)，對(duì)此適應(yīng)性極高——它僅“筆尖”大小體積，電容量達(dá)到1法拉﹔而傳統(tǒng)蓄電產(chǎn)品，“保溫杯”大小才有100微法﹔它的充放電循環(huán)壽命達(dá)到50萬(wàn)次以上，是傳統(tǒng)蓄電產(chǎn)品的近500倍﹔它的充放電率達(dá)到95%至98%，高於傳統(tǒng)的70%至75%。

綠色高效動(dòng)力：電動(dòng)汽車(chē)、電瓶車(chē)等新能源動(dòng)力革命

電動(dòng)汽車(chē)、電瓶車(chē)是與我們“走得最近”的新能源產(chǎn)品，長(zhǎng)期以來(lái)相較於控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等方面的成熟技術(shù)，儲(chǔ)能問(wèn)題一直是上述產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸——目前的電動(dòng)車(chē)蓄電池，包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉基電池、二次鋰電池等，盡管各有優(yōu)劣但對(duì)於穩(wěn)定性、快速充電、高功率性等要求，難以均衡實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)力型“超級(jí)電容電池”破解此項(xiàng)難題——不僅很好滿足了動(dòng)力電池安全穩(wěn)定的快速充電的要求，還實(shí)現(xiàn)了峰值功率輸出（啟動(dòng)、爬坡、剎車(chē)等）需要的高功率輸出。其中全碳系可實(shí)現(xiàn)30秒充電，Ni-C和Pb-C系可實(shí)現(xiàn)0.5h完成充電，充電時(shí)間比傳統(tǒng)電池縮短5—10倍。

據(jù)了解，當(dāng)前市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)車(chē)的“電力組合”分為電容、電池兩部分，前者提供啟動(dòng)時(shí)的大功率，后者保障運(yùn)行時(shí)持續(xù)穩(wěn)定的電能，這種設(shè)計(jì)不僅構(gòu)造繁雜也提升了電動(dòng)車(chē)的成本。但動(dòng)力型“超級(jí)電容電池”卻兼具較大功率密度和能量密度，在電動(dòng)車(chē)中可實(shí)現(xiàn)一組電池供電。

過(guò)去，充電時(shí)間、功率的高要求和充電次數(shù)的限制，是人們對(duì)電動(dòng)車(chē)的詬病之一。相對(duì)於鋰電池不接受低功率充電的特性，動(dòng)力型“超級(jí)電容電池”可實(shí)現(xiàn)大小功率同時(shí)充電﹔相對(duì)於傳統(tǒng)電池3000到5000次的充放電次數(shù)，動(dòng)力型“超級(jí)電容電池”可達(dá)到5000到10000次。此外，由於超級(jí)電容電池具有充電接受能力超強(qiáng)的特點(diǎn)，特別適合於超大電流（如剎車(chē)時(shí)的能量回饋）和微弱電流（如風(fēng)能、太陽(yáng)能微弱發(fā)電）時(shí)電荷存儲(chǔ)，提高能源的效率。

傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)由於動(dòng)力電池穩(wěn)定性很難保証，發(fā)生事故時(shí)容易熱失控，但動(dòng)力型“超級(jí)電容電池”由於採(cǎi)用完全不同的新型高表面活性炭材料和石墨烯技術(shù)，完全避免了此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)環(huán)境不再造成重金屬和化學(xué)污染。同時(shí)，在一些涉及低溫和超高溫的特種領(lǐng)域特殊行業(yè)，傳統(tǒng)的鉛酸、鋰電池效能會(huì)大幅下降，但動(dòng)力型“超級(jí)電容電池”在-40攝氏度到70攝氏度均可實(shí)現(xiàn)正常工作，為特種行業(yè)、軍事領(lǐng)域提供豐富應(yīng)用的空間。

■關(guān)聯(lián)閱讀

超級(jí)電容電池

通過(guò)獨(dú)特材料表面改性技術(shù)、新穎配方設(shè)計(jì)技術(shù)、創(chuàng)新性電池與電容電極融合技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，整合先進(jìn)電池電極加工工藝，開(kāi)發(fā)出的一種高功率密度、高能量密度、快充特性優(yōu)異、長(zhǎng)循環(huán)壽命、電荷吸收能力強(qiáng)的電池。重點(diǎn)解決了儲(chǔ)能系統(tǒng)存在的使用壽命短、安全性低、運(yùn)行不穩(wěn)定、成本高﹔動(dòng)力系統(tǒng)存在安全隱患大、成本高、充電時(shí)間長(zhǎng)、污染環(huán)境等行業(yè)共性問(wèn)題。既具二次電池高比能量的顯著特點(diǎn)，兼有超級(jí)電容器功率密度大、可快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用環(huán)境溫度范圍寬、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的高性能儲(chǔ)能器件，填補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器和二次電池的中間空白，是一種先進(jìn)的綠色高效儲(chǔ)能和動(dòng)力系統(tǒng)電池。

“超級(jí)電容電池”的未來(lái)

廣泛應(yīng)用於消費(fèi)類(lèi)電子及儀器儀表，包括手機(jī)、播放機(jī)、電動(dòng)玩具、電動(dòng)工具、無(wú)繩電話、智能電表等﹔交通運(yùn)輸領(lǐng)域，包括混合動(dòng)力汽車(chē)、低速短途純電動(dòng)車(chē)輛（電動(dòng)叉車(chē)、機(jī)場(chǎng)牽引車(chē)、搬運(yùn)車(chē)、景區(qū)環(huán)保車(chē)、高爾夫車(chē)、巡邏車(chē)、環(huán)衛(wèi)車(chē)等）、電動(dòng)船艇、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托、車(chē)輛低溫啟動(dòng)和啟停系統(tǒng)等﹔通信領(lǐng)域，包括UPS電源、EPS電源（通信基站、交通信號(hào)燈、野戰(zhàn)應(yīng)急電源、邊防哨所、電信機(jī)房等）﹔再生能源領(lǐng)域，主要包括光伏、風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)、錯(cuò)峰儲(chǔ)供電源系統(tǒng)、採(cǎi)油（氣）平臺(tái)等，以及軍事領(lǐng)域、特種行業(yè)，包括艦船、核潛艇儲(chǔ)電系統(tǒng)、戰(zhàn)車(chē)混合電傳動(dòng)系統(tǒng)、坦克低溫啟動(dòng)、激光武器、電磁炮彈點(diǎn)火等。