為電動車快速又節(jié)能地進行充電，是很多用戶所期盼的。日前，中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱青島能源所）研究員崔光磊帶領團隊，采用石墨烯基復合材料路線，開發(fā)出容量可控的鋰離子電容器器件。

該鋰離子電容器器件在30c（電池充放電時電流大小的比率）倍率下充放電1萬次容量保持率達94.7%、2萬次容量保持率達84.3%以上，目前已成功在電動自行車上進行了示范應用。

用什么儲能

目前，常見的電動自行車、電動摩托車以及電動三輪車廣泛采用鉛酸電池為電源。鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。

據(jù)崔光磊團隊成員、青島能源所高級工程師韓鵬獻介紹，鉛酸電池最大的優(yōu)勢在于生產工藝相對簡單，價格低廉，老百姓容易接受，而其缺點在于使用壽命短（充放電500次），充電時間長（數(shù)小時）。

據(jù)了解，鉛酸電池腐蝕后會溢出含鉛重金屬和酸性物質，不但嚴重污染土壤和水源，對空氣環(huán)境、生態(tài)平衡也會造成破壞，還會引發(fā)人體代謝、生殖及神經等方面的疾病。

隨著世界各國對環(huán)保問題的關注，鉛酸電池所帶來的環(huán)境污染問題不容小覷，這也對電動車的儲能設備提出了節(jié)能環(huán)保的新要求。

如今隨處可見的電動汽車同樣面臨著儲能問題。電動汽車采用電池替換燃油來驅動行駛，包括純電動汽車及混合動力汽車，目前應用最為廣泛的是鋰離子電池。

韓鵬獻指出，盡管單體能量密度可達120wh/kg，但其功率密度僅為500w/kg左右，限制了電動汽車功率性能發(fā)揮。

隨著超級電容器的日益興起，采用超級電容器作為電動汽車電源日益增多，在一些地方公交線路開始示范運營，其最大優(yōu)點是功率密度高達10kw/kg以上，循環(huán)壽命數(shù)萬次，但常規(guī)的雙電層超級電容器由于工作電壓低（<2.7v），能量密度僅為2~5wh/kg。

在此背景下，鋰離子電容器迅速發(fā)展起來，成為一種新型高能量密度、高功率密度、長壽命儲能器件。

攻下技術關

傳統(tǒng)意義上的鋰離子電容器，正極采用雙電層超級電容器使用的高比表面多孔炭電極材料，通過吸附電荷儲存電能；負極采用鋰離子電池石墨負極材料，通過電化學嵌入反應儲存電能。

據(jù)韓鵬獻介紹，鋰離子電容器的能量密度可以與鉛酸電池相媲美，而其優(yōu)越的功率性能是鉛酸電池和鋰離子電池所無法企及的。

因此，鋰離子電容器作為經濟型環(huán)保電動車電源，需要大功率充放電場合，如高速鐵路、城際軌道交通中的啟動電源、制動能量回收系統(tǒng)；在惡劣條件下，如極端寒冷條件時，作為電動汽車、坦克車、軍用運輸車的冷啟動電源，可以發(fā)揮出鉛酸電池及鋰離子電池無法與其比擬的快速充放電優(yōu)勢；在特殊場合下，可作為快速能量補給裝置，凸顯其獨特作用。

然而，崔光磊團隊也發(fā)現(xiàn)了鋰離子電容器技術難點之一，那就是充放電之前向負極中預嵌鋰關鍵技術，以保證器件可以平穩(wěn)的在電壓窗口下工作。崔光磊表示：“如果預嵌鋰方式不當、預嵌鋰量不足或過量、嵌鋰分布不均勻，都能造成循環(huán)壽命下降。”

他還指出，鋰離子電容器另外的技術難點在于，如何改善負極快速充放電性能。鋰離子電容器優(yōu)勢是提高了能量密度的同時，功率性能仍可以具有雙電層超級電容器那樣優(yōu)越，但鋰離子電容器負極是通過電化學嵌入、脫出反應儲存電能，不同于正極通過極化物理吸附電荷那樣，可以快速吸收、釋放電能。

因此負極活性材料物理結構、整個負極的成分構成顯得尤為重要，這就要通過減小負極材料尺寸，縮短離子擴散路徑，或構筑可以實現(xiàn)快速傳輸離子的通道和電子轉移的空間網絡，或輔以功能性添加劑，改善負極成分構成，增強電子和離子混合傳輸速度，實現(xiàn)鋰離子電容器的高功率輸入、輸出性能。

崔光磊團隊攻克了程序化預嵌鋰、正負極漿料在特殊集流體上涂布、軟包裝器件脹氣抑制、模塊化系統(tǒng)集成等多個工程化關鍵技術難點。

籌備產業(yè)化

崔光磊團隊通過示范應用發(fā)現(xiàn)，采用鋰離子電容器作為電動車電源，相比于鉛酸電池，充電速度明顯提升。

鉛酸電池需要10小時左右方可充滿電，而鋰離子電容器僅需1~5分鐘即可，鋰離子電容器壽命長達數(shù)萬次，相比鉛酸電池（500次左右）和鋰離子電池（1000次左右），其長期使用性價比優(yōu)勢明顯。

在各個城市大力發(fā)展經濟型環(huán)保電動車短程內自由換乘的趨勢下，鋰離子電容器電動車快速充電優(yōu)勢明顯。在高速鐵路、城際軌道交通大力發(fā)展的今天，鋰離子電容器更是顯示出特有的優(yōu)勢。

有國內專家指出，發(fā)展有站點、有規(guī)律、站間較近的儲能式軌道交通，是非常必要的，在乘客上下車期間，快速充電；在啟動時，可以瞬間加速，在制動時，可以將能量加以回收儲存。

目前，崔光磊團隊正在與國內一些電動車企業(yè)洽談合作，初步定位于將鋰離子電容器作為電動車啟動電源以及經濟型環(huán)保電動自行車電源進行示范推廣，通過技術轉讓或參股形式進行規(guī)模化生產。

崔光磊說：“在國家高技術研究發(fā)展計劃‘863’項目及青島市戰(zhàn)略性新興產業(yè)培育計劃項目的支持下，我們下一步將圍繞提高器件能量密度，解決惡劣工況條件下保持高性能等方面展開科技攻關，進一步提升該型電容器的技術水平。”