時志強：開啟電力能源存儲與利用的新時代—超級電容器技術與應用
時間:2015-12-30 15:05來源:中國電池聯盟 作者:西顧
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我自己一直在國內成長起來，在天津大學一直從事超級電容器的材料和器件技術的研究。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的認識，從發展技術來講經過了幾代，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。隨著材料技術和人類對能源方式的利用方面，人類的進步是實現跨越的。所以一直到鉆木取火和煤、石油的利用以及電力的普及。每一代材料和技術的進步都引領著人類文明進步的歷程隨著化石能源大規模的統計應用，大家對技術認識沒有先進性到滯后的現象。
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、風力發電等等這些方式，每個技術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%。所以從發展的角度來講，每一種新能源技術我都認為它是有廣闊的發展。
大家是以樂觀的心態期待新能源的地位，需要大家去努力才能實現偉大的能源夢，需要大家繼續去努力。這個夢，有可能是可以實現的。新型能源汽車在最近大規模普及的過程中也有一些問題，安全性隱患還是暴露的。現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的新能源器件的應用，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，引領行業的發展，不是說大家一窩蜂的看好一個行業大家一起做。未來，我想超級電容器的路在應用。你需要把你的技術找到適合的應用場合，呼吁一下各位企業，它的生命在于你自己的發現，這是我自己對市場技術的認識。
下面簡單講一下超級電容器技術本身的發展，主要是以我自己對技術的進程講的，這個技術本身出現的很早，技術原理是1879年提出來，真正實現器械化是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。經過評估以后，發現超級電容器在功率密度方面有很大的優勢，2000年之后美國麥斯爾公司全世界進入布局的推廣，伴隨著功率發電和技術的普及，在中國實現了真正的普及。
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識。但是到今天我自己認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。但是我們經過十幾年的研究發現，需要對雙電層結構需要認識。當然，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計需要從結構的方面考慮。
最近幾年我提出這個題目的原因，是因為超級電容器的應用在廣泛的領域拓展，雖然目前的市場接受還是有一段的時間，但是特的技術優勢已經被這些市場所接受。包括油電混合的，重型卡車的啟動和 能量回饋等等，國內也有企業關注到。在軍工和宇航方面都有所涉及，國家相關部門在做。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用。另外一個應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，這種方式已經慢慢被一些人所接受。原來傳統電動汽車的市場，超級電容器也是未來開拓的領域。
這是超級電容器做電動汽車的供電系統，進站的時候供電不是傳統電網供電，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，超級電容器也已經開始逐漸的在拓展應用。
另外一個是港口機械里面的輪胎吊，主要問題還是價格。在石油鉆井行業也已經對超大功率運行的儲能裝置的應用要求，它可以減緩內燃機的排放，節約能源，能量可以回饋，這些應用都可以擴展。超級電容器用的最多的是風力發電領域，貢獻非常大的。日本2003年就做過風力發電的穩定化裝置，DCBC轉換做中間的蓄水池，不穩定的電通過超級電容器儲存并到傳統電網里面，可以減少傳統電網的沖擊，基本上是可行的，主要還是成本問題。
未來隨著電動汽車應用的普及，可能應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，很方便的實現傳輸。
前面主要講的是超級電容器最近的應用，可以發現它的應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品的特點，應用在哪些場合。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換到電殼，中間沒有發生變化。而鋰離子電池需要鋰離子遷移，中間的反應過程限制了它不能進行電流的充放電，對材料結構會有破壞。另外，它容易實現金屬鋰的沖擊，反復充放電容易發生隱患。
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勢，除了前面的技術優勢以外，安全的優勢也是非常好的方面。和傳統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，鋰離子電池的循環壽命一般有一千到五千次，超級電容器循環壽命可以實現一百萬次，每次儲能密度乘以它的循環密度，自己定義的可儲存的能量，比鋰電池高兩個數量級。雖然它有低的能量密度，如果說乘以它的次數的話，會發生一個轉變。
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優勢的認識。
開啟電力能量儲存與利用的新時代，怎么做呢？第一個我認為是超級電容器技術獨特的儲能原理，超級電容器在諸多領域的廣泛應用，第三個是超級電容器也要經得起市場的檢驗。
我們這個團隊2003年涉足到電容器，現在做超級電容器的活性材料，2007年做過嘗試。2008年轉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，我們認為在超級電容材料和器件積累方面，完成了中時試和產業化技術的積累，這個是對超級電容器材料整個系統化的研究，包括它的結構和面積，孔結構調控。
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，同時是水系的產品。后來活性炭纖維電極引入到電容器領域，比能量提高到三到五瓦時每公斤。活性炭電極電容器極大提高了密度，實現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的電極材料可以超越。傳統的活性炭材料符合規律，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構的時候，更多關注的面積，D是可以改變的。未來想繼續提高比能量，需要在這些方面去關注。
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，正極和負極會大大增加不可逆反應的概率，同時使材料的結構會發生破壞。這是我們自己實驗的結果，3.0V循環一萬次以后，負極的顆粒結構像溶化的瀝青一樣，主體結構被破壞，3.2V的時候更加嚴重。如果想提高電壓，就要減少電解液和表面的結合，包括比表面積的調控，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，同樣的孔結構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果。
它的主要的優點是只有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，可以實現從電解液的角度調節。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，國內還沒有用好，所以說這個其實是需要結合炭材料的一些改進。
這個結果經過調配以后，電導率可以提高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，比現有的產品高20%的比能量。在3.0V下循環一萬次，比現有的要好。在3.5V的條件下，衰減還是比較快的。
另外一個電解液的優點是在使用碳酸比性質的條件下實現了負50度的應用，在PC電解液的應用是不能實現的。在超低溫應用情況，這個工作新型的添加劑使用，可以使用負60度，保持85%以上的比能量。大家看在負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。但是和其他技術的結合，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摻雜，鋰離子電容器能量密度可實現20瓦時，比能量可以提高到4倍。我們的目標是二到四瓦，循環壽命是一萬次，這是一個電容器的組裝過程。
這個數據是報告里面的一些內容，最終經過努力是實現了30瓦時的比能量，功率密度30挖每公斤，循環次數大于一萬次。同時，經過工作以后，我們下一步的研究目標會繼續提高，實現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。但是在負極這一塊，有八十到一百毫安，正極能量如果繼續提高，這種設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構的認識，通過材料的設計可以實現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對工作電壓的調節和功率密度、能量循環的調節。
我們在活性炭產業化積累方面一直在做工作，最近會正式的往外推這個技術，這個技術是我們和天津大學的王教授做的。我本身在那里學了十年，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，技術是一個方面，價格還是有優勢的。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，產業化的時間大概經歷了十年，而且他們的產業化步伐遠遠滯后于他們當時的目標，里面的挑戰非常大。
我們是2007年關注到他們的工作，進入到這個領域，到今年還不到十年，所以還有一點時間可以繼續努力。未來隨著新型材料的開發，超級電容器的離子體系更豐富，比能量和性能實現真正的設計和調節，這是我們對器件的認識，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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