青島能源所開發出石墨烯基鋰離子電容器

發布時間：2016-01-04 10:53 原文鏈接：青島能源所開發出石墨烯基鋰離子電容器

　　隨著能源危機以及環境問題的日趨嚴重，社會對基于能源互聯網的近零碳排放區推廣非常期待，這對分布式儲能技術提出更高要求。同時，新能源電動汽車、高鐵/城市軌道交通制動能量回收等領域也迫切需求高能量密度、高功率密度兼顧的電化學儲能器件。

　　鋰離子電容器是一種兼具雙電層超級電容器高功率特性與較高能量密度特點的電化學儲能器件，具有非常好的發展前景。因此，國家工業和信息化部《中國制造2025》把高能量密度（大于20Wh/kg）動力型電容列為重點支持領域。然而，由于相關技術被國外公司壟斷，國內相關企業還未掌握核心技術。近年來，中國科學院青島生物能源與過程研究所青島儲能產業技術研究院研究團隊圍繞高能量密度鋰離子電容器的核心電極材料，展開了一系列研發工作，先后探索了金屬氮化物材料體系（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011, 3, 93）、氮摻雜石墨烯/金屬氮化物復合電極材料（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/氧化物材料體系（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 658；Scripta Mater., 2013, 69 , 171-174； J. Solid State Electrochem., 2013, 17, 1479-1485；），多孔氮化中間相炭微球材料（Carbon, 2012, 50, 1355），硅基（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5 , 12340）、鍺基（Chem. Mater. 2015, 27, 2189）和錫基材料體系（Chem. Mater. 2015, 27, 6668），并深入分析了相關材料的儲鋰機制和界面效應（ChemPhysChem, 2010, 11, 3219；Coordin. Chem. Rev., 2013, 257 , 1946），最后確定了氮摻雜石墨烯復合材料路線。

　　從實驗室的原理論證、小試突破到中試放大，該團隊經過多年技術攻關，突破了石墨烯復合電極設計與批量制備、可控均勻預嵌鋰、充放電脹氣抑制及特殊集流極片涂布等技術難題，在實踐中總結出石墨烯基鋰離子電容器制備技術和工藝，并自力更生設計建設了國內第一條鋰離子電容器的中試生產線，研發出最高容量3500F/4V型鋰離子電容器單體，器件的能量密度高達55Wh/L（20.5Wh/kg）、功率密度高達5 kW/L，循環性能好（10000次循環容量保持率95%以上），低溫性能良好（-30度容量為常溫的72%以上）的鋰離子電容器，相關器件已通過原輕工業部蘇州電源所的第三方權威檢測。

　　 12月22日，相應石墨烯基高能量度鋰離子電容器技術在北京通過了由中國石油和化學工業聯合會組織的專家鑒定和評價。鑒定委員會專家認真聽取了工作報告、研究報告、第三方測試報告、應用報告及查新報告，審查了有關技術資料，通過質詢、答辯和討論，一致認為該項成果創新性強，總體達到國際先進水平，具有較好的推廣價值，并建議盡快推進產業化進程，滿足國家需求。

　　此外，鑒于該儲能器件兼顧較高功率和高能量密度，快充快放，非常適合作為能源互聯網技術的“能量桶”，青島儲能院正在基于該“能量桶”，利用能源互聯網技術建立一個小型的近零碳排放示范區。圍繞該儲能器件的關鍵材料和核心技術已獲得授權發明ZL9項，具有自主知識產權。值得說明的是，2015年初青島儲能院就已經利用該器件構建48V系統在電動車電源等方面進行了示范應用，最近青島儲能院正爭取把此技術盡快用于軌道交通領域。