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幸运28:青岛能源所开发出石墨烯基锂离子电容器

青岛能源所开发出石墨烯基锂离子电容器

  随着能源危机以及环境问题的日趋严重,社会对基于能源互联网的近零碳排放区推广非常期待,这对分布式储能技术提出更高要求。同时,新能源电动汽车、高铁/城市轨道交通制动能量回收等领域也迫切需求高能量密度、高功率密度兼顾的电化学储能器件。

    锂离子电容器是一种兼具双电层超级电容器高功率特性与较高能量密度特点的电化学储能器件,具有非常好的发展前景。因此,国家工业和信息化部《中国制造2025》把高能量密度(大于20Wh/kg)动力型电容列为重点支持领域。然而,由于相关技术被国外公司垄断,国内相关企业还未掌握核心技术。近年来,中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛储能产业技术研究院研究团队围绕高能量密度锂离子电容器关键材料与核心技术,开展了一系列原创性研发工作。12月22日,青岛储能院研发出的新型石墨烯基高能量度锂离子电容器技术在北京通过了由中国石油和化学工业联合会组织的专家鉴定和评价。鉴定委员会专家认真听取了工作报告、研究报告、第三方测试报告、应用报告及查新报告,审查了有关技术资料,通过质询、答辩和讨论,一致认为该项成果创新性强,总体达到国际先进水平,具有较好的推广价值,并建议尽快推进产业化进程,满足国家需求。

  该技术突破了石墨烯复合电极设计与批量制备、可控均匀预嵌锂、充放电胀气抑制及特殊集流极片涂布等技术难题,在实践中总结出石墨烯幸运28基锂离子电容器制备技术和工艺,并自力更生设计建设了国内第一条锂离子电容器的中试生产线,研发出了最高容量3500F/4V型锂离子电容器单体,器件的能量密度高达55Wh/L(20.5Wh/kg)、功率密度高达5 kW/L,循环性能好(10000次循环容量保持率95%以上),低温性能良好(-30度容量为常温的72%以上)的锂离子电容器,相关器件已通过原轻工业部苏州电源所的第三方权威检测。

  从实验室的原理论证、小试突破到中试放大,青岛储能院团队经过多年艰苦的技术攻关,先后探索了金属氮化物材料体系ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011, 3, 93)、氮掺杂石墨烯/金属氮化物复合电极材料J. Mater. Chem., 2011, 21, 5430; 2012, 22, 24918; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 658; J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 5949; Part. Part. Syst. Char., 2015, 32, 1006),石墨烯/幸运28氧化物材料体系ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 658;Scripta Mater., 2013, 69, 171; J. Solid State Electrochem., 2013, 17, 1479)、多孔氮化中间相炭微球材料Carbon, 2012, 50, 1355),硅基ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5 , 12340)、锗基Chem. Mater. 2015, 27, 2189)和锡基材料体系Chem. Mater. 2015, 27, 6668),并深入分析了相关材料的储锂机制和界面效应ChemPhysChem, 2010, 11, 3219;Coordin. Chem. Rev., 2013, 257 , 1946),最后确定了氮掺杂石墨烯复合材料路线和相对应的技术路线。

  下一步,鉴于该储能器件兼顾较高功率和较高能量密度,快充快放,非常适合作为能源互联网技术的“能量桶”,青岛储能院正在基于该“能量桶”,利用能源互联网技术建立一个小型的近零碳排放示范区。围绕该储能器件的关键材料和核心技术,青岛储能院已获得授权发明专利9项,具有自主知识产权。值得说明的是,2015年初青岛储能院就已经利用该器件构建48V系统在电动车电源等幸运28方面进行了示范应用,最近青岛储能院正争取把此技术尽快用于轨道交通领域。

 

  青岛能源所开发出石墨烯基锂离子电容器