為電動(dòng)車快速又節(jié)能地進(jìn)行充電，是很多用戶所期盼的。日前，中國科學(xué)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用石墨烯基復(fù)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(shí)電流大小的比率）倍率下充放電1萬次容量保持率達(dá)94.7%、2萬次容量保持率達(dá)84.3%以上，目前已成功在電動(dòng)自行車上進(jìn)行了示范應(yīng)用。

用什么儲(chǔ)能

目前，常見的電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車以及電動(dòng)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(tuán)隊(duì)成員、青島能源所高級(jí)工程師韓鵬獻(xiàn)介紹，鉛酸電池最大的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)工藝相對(duì)簡單，價(jià)格低廉，老百姓容易接受，而其缺點(diǎn)在于使用壽命短（充放電500次），充電時(shí)間長（數(shù)小時(shí)）。

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

隨著世界各國對(duì)環(huán)保問題的關(guān)注，鉛酸電池所帶來的環(huán)境污染問題不容小覷，這也對(duì)電動(dòng)車的儲(chǔ)能設(shè)備提出了節(jié)能環(huán)保的新要求。

如今隨處可見的電動(dòng)汽車同樣面臨著儲(chǔ)能問題。電動(dòng)汽車采用電池替換燃油來驅(qū)動(dòng)行駛，包括純電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車，目前應(yīng)用最為廣泛的是鋰離子電池。

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

隨著超級(jí)電容器的日益興起，采用超級(jí)電容器作為電動(dòng)汽車電源日益增多，在一些地方公交線路開始示范運(yùn)營，其最大優(yōu)點(diǎn)是功率密度高達(dá)10kw/kg以上，循環(huán)壽命數(shù)萬次，但常規(guī)的雙電層超級(jí)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(chǔ)能器件。

攻下技術(shù)關(guān)

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

據(jù)韓鵬獻(xiàn)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(jīng)濟(jì)型環(huán)保電動(dòng)車電源，需要大功率充放電場(chǎng)合，如高速鐵路、城際軌道交通中的啟動(dòng)電源、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)；在惡劣條件下，如極端寒冷條件時(shí)，作為電動(dòng)汽車、坦克車、軍用運(yùn)輸車的冷啟動(dòng)電源，可以發(fā)揮出鉛酸電池及鋰離子電池?zé)o法與其比擬的快速充放電優(yōu)勢(shì)；在特殊場(chǎng)合下，可作為快速能量補(bǔ)給裝置，凸顯其獨(dú)特作用。

然而，崔光磊團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了鋰離子電容器技術(shù)難點(diǎn)之一，那就是充放電之前向負(fù)極中預(yù)嵌鋰關(guān)鍵技術(shù)，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(yù)嵌鋰方式不當(dāng)、預(yù)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(shù)難點(diǎn)在于，如何改善負(fù)極快速充放電性能。鋰離子電容器優(yōu)勢(shì)是提高了能量密度的同時(shí)，功率性能仍可以具有雙電層超級(jí)電容器那樣優(yōu)越，但鋰離子電容器負(fù)極是通過電化學(xué)嵌入、脫出反應(yīng)儲(chǔ)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(fù)極活性材料物理結(jié)構(gòu)、整個(gè)負(fù)極的成分構(gòu)成顯得尤為重要，這就要通過減小負(fù)極材料尺寸，縮短離子擴(kuò)散路徑，或構(gòu)筑可以實(shí)現(xiàn)快速傳輸離子的通道和電子轉(zhuǎn)移的空間網(wǎng)絡(luò)，或輔以功能性添加劑，改善負(fù)極成分構(gòu)成，增強(qiáng)電子和離子混合傳輸速度，實(shí)現(xiàn)鋰離子電容器的高功率輸入、輸出性能。

崔光磊團(tuán)隊(duì)攻克了程序化預(yù)嵌鋰、正負(fù)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(gè)工程化關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

籌備產(chǎn)業(yè)化

崔光磊團(tuán)隊(duì)通過示范應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，采用鋰離子電容器作為電動(dòng)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(shí)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(dá)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(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。

在各個(gè)城市大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)型環(huán)保電動(dòng)車短程內(nèi)自由換乘的趨勢(shì)下，鋰離子電容器電動(dòng)車快速充電優(yōu)勢(shì)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(shì)。

有國內(nèi)專家指出，發(fā)展有站點(diǎn)、有規(guī)律、站間較近的儲(chǔ)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(dòng)時(shí)，可以瞬間加速，在制動(dòng)時(shí)，可以將能量加以回收儲(chǔ)存。

目前，崔光磊團(tuán)隊(duì)正在與國內(nèi)一些電動(dòng)車企業(yè)洽談合作，初步定位于將鋰離子電容器作為電動(dòng)車啟動(dòng)電源以及經(jīng)濟(jì)型環(huán)保電動(dòng)自行車電源進(jìn)行示范推廣，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓或參股形式進(jìn)行規(guī)�；�生產(chǎn)。

崔光磊說：“在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃‘863’項(xiàng)目及青島市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育計(jì)劃項(xiàng)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(guān)，進(jìn)一步提升該型電容器的技術(shù)水平。”