進入綠色高效儲能與動力的“新能源”時代

    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超級電容器研究小組，歷時5年合作與創(chuàng)新，采用自主知識產權的高表面活性炭和石墨烯等高性能材料、新穎的電池與超級電容電極融合技術、先進的表面改性與微結構調控技術等關鍵技術，成功地開發(fā)出一種新概念高性能“超級電容電池”（Supercapattery）。

    包括全碳系、Ni-C系、Pb-C系等三個系列，動力型和儲能型兩大類型的“超級電容電池”產品，具有高功率放電、超快充電、長循環(huán)壽命、充電接收能力強等特性。其中，全碳系的單體電容量達5000―10000法拉；Ni-C系和Pb-C系產品放電功率和循環(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系產品的循環(huán)充電次數(shù)分別可達2000次和3000次以上。

    目前，該成果在四川省科技廳的指導下，已與從事電動汽車動力總成設計與制造的成都聯(lián)騰動力控制技術有限公司、從事電動自行車制造的成都寬和科技有限責任公司，與從事分布式能源系統(tǒng)設計和可再生能源儲能電站工程的四川佳靈電氣有限公司、四川阿�，m電氣公司，以及與應急電源開發(fā)制造的成都富強電子電器科技有限公司和從事新能源器件與系統(tǒng)測試和標準化的中國測試技術研究院等密切對接，并組建四川綠色高效儲能與動力系統(tǒng)產業(yè)聯(lián)盟。該產品可充分滿足當前新能源時代，對電動汽車等動力系統(tǒng)和光伏、風電等大規(guī)模儲能系統(tǒng)對電池的需要。

    “超級電容電池”的誕生：從特斯拉汽車說起

    今年10月，一輛特斯拉Model S電動汽車發(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，再次引起人們對鋰離子動力電池產業(yè)發(fā)展關注。

    從1799年伏特制成世界上第一個電池“伏特電堆”以來，持續(xù)而穩(wěn)定的獲取能源，是人們對電池發(fā)展的不懈追求。1890年，愛迪生發(fā)明“鐵鎳電池”，可反復充放電的“蓄電池家族”從此走進人們生活。在當今以風電、光伏為代表的新能源時代，“蓄電池”的重要性逐漸凸顯，能量重量比高、電壓高、自放電小、可長時間存放等優(yōu)點的鋰電池、鋰離子電池正成為業(yè)界“寵兒”。但由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰電領域的加工、保存、使用，對成本、環(huán)境要求非常高，加之及其自燃的特性，使得鋰電池在風電、光伏及電動汽車等新能源儲能、動力應用方面總是差強人意。特斯拉電動汽車著火，也印證了這一事實。

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

    2008年底，四川聚能科技在開展自主研發(fā)的“高性能超級活性炭材料”的市場化和下游高附加值產品的開發(fā)時，與電子科技大學超級電容器研究小組走到一起，決定以“超級電容集成電池技術”展開研究開發(fā)與產業(yè)化合作。雙方從能量存儲的微觀機制入手，結合物理儲能和化學儲能的特點，對電荷存儲的物理空間進行大膽推理，提出了準二維空間存儲電荷的電容電池構想。這是一種將“高性能超級活性炭材料”特性，與電池和超級電容特性結合的創(chuàng)新研發(fā)成果，目標是實現(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，并能改變傳統(tǒng)電池環(huán)境污染、成本高昂及安全性不高等劣勢的產品。

    經過不懈探索，研究小組采用自主知識產權技術開發(fā)的新型高表面活性炭材料和石墨烯技術，開發(fā)了獨特的納米化和微結構調控技術、先進的材料表面改性技術、創(chuàng)新性的電池與電容電極融合技術、新穎的配方設計技術等一系列先進技術，并整合了先進的電極加工工藝技術，最終開發(fā)成功了具有高功率密度、高能量密度、長循環(huán)壽命、快充電特性和充電接受能力強的超級電容電池。

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

    綠色高效儲能：光伏、風電等新能源產業(yè)變革

    隨著風電、光伏等新能源與可再生能源的大規(guī)模應用，儲能系統(tǒng)作為破解這些新能源間歇性、波動性的解決方案，愈發(fā)受到重視，但行業(yè)科技進步卻任重而道遠――由于其應用范圍廣泛，涉及到電力的輸發(fā)配、新能源、電動汽車等各個領域，儲能的技術路線也相對分散，截至目前儲能領域還沒有一種通用技術可以滿足全部的需求。目前，儲能產業(yè)作為新興戰(zhàn)略性產業(yè)，已被列入我國“十二五”規(guī)劃綱要，預計到2020年，國內整個儲能產業(yè)的市場規(guī)模至少可達6000億元。

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

    在涉及大規(guī)模儲能的風電、光伏等領域，價格成本、能量密度比、循環(huán)壽命、能量利用率都是關鍵指標。與現(xiàn)有儲能系統(tǒng)相比，儲能型“超級電容電池”具有高功率密度、高能量密度、長循環(huán)壽命、充電接受能力強、綜合成本低廉等優(yōu)勢，對此適應性極高――它僅“筆尖”大小體積，電容量達到1法拉；而傳統(tǒng)蓄電產品，“保溫杯”大小才有100微法；它的充放電循環(huán)壽命達到50萬次以上，是傳統(tǒng)蓄電產品的近500倍；它的充放電率達到95%至98%，高于傳統(tǒng)的70%至75%。

    綠色高效動力：電動汽車、電瓶車等新能源動力革命

    電動汽車、電瓶車是與我們“走得最近”的新能源產品，長期以來相較于控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等方面的成熟技術，儲能問題一直是上述產業(yè)的發(fā)展瓶頸――目前的電動車蓄電池，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)劣但對于穩(wěn)定性、快速充電、高功率性等要求，難以均衡實現(xiàn)。

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

    據(jù)了解，當前市場上大多數(shù)電動車的“電力組合”分為電容、電池兩部分，前者提供啟動時的大功率，后者保障運行時持續(xù)穩(wěn)定的電能，這種設計不僅構造繁雜也提升了電動車的成本。但動力型“超級電容電池”卻兼具較大功率密度和能量密度，在電動車中可實現(xiàn)一組電池供電。

    過去，充電時間、功率的高要求和充電次數(shù)的限制，是人們對電動車的詬病之一。相對于鋰電池不接受低功率充電的特性，動力型“超級電容電池”可實現(xiàn)大小功率同時充電；相對于傳統(tǒng)電池3000到5000次的充放電次數(shù)，動力型“超級電容電池”可達到5000到10000次。此外，由于超級電容電池具有充電接受能力超強的特點，特別適合于超大電流（如剎車時的能量回饋）和微弱電流（如風能、太陽能微弱發(fā)電）時電荷存儲，提高能源的效率。

    傳統(tǒng)電動車由于動力電池穩(wěn)定性很難保證，發(fā)生事故時容易熱失控，但動力型“超級電容電池”由于采用完全不同的新型高表面活性炭材料和石墨烯技術，完全避免了此類風險，同時對環(huán)境不再造成重金屬和化學污染。同時，在一些涉及低溫和超高溫的特種領域特殊行業(yè)，傳統(tǒng)的鉛酸、鋰電池效能會大幅下降，但動力型“超級電容電池”在-40攝氏度到70攝氏度均可實現(xiàn)正常工作，為特種行業(yè)、軍事領域提供豐富應用的空間。<