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壽命分別比傳統的Ni-H或鉛酸電池都提高了2―3倍，Ni-C系和Pb-C系產品的循環充電次數分別可達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、四川阿海琺電氣公司，以及與應急電源開發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產業聯盟。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和光伏、風電等大規模儲能系統對電池的需要。

    “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發展關注。

    從1799年伏特制成世界上第一個電池“伏特電堆”以來，持續而穩定的獲取能源，是人們對電池發展的不懈追求。1890年，愛迪生發明“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、可長時間存放等優點的鋰電池、鋰離子電池正成為業界“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界所重視。

    2008年底，四川聚能科技在開展自主研發的“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”展開研究開發與產業化合作。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新研發成果，目標是實現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，并能改變傳統電池環境污染、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的新型高表面活性炭材料和石墨烯技術，開發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，最終開發成功了具有高功率密度、高能量密度、長循環壽命、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，循環壽命大于500000次；能量型單體能量密度大于25Wh/kg，循環壽命大于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，循環壽命大于2000次。

    綠色高效儲能：光伏、風電等新能源產業變革

    隨著風電、光伏等新能源與可再生能源的大規模應用，儲能系統作為破解這些新能源間歇性、波動性的解決方案，愈發受到重視，但行業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，儲能產業作為新興戰略性產業，已被列入我國“十二五”規劃綱要，預計到2020年，國內整個儲能產業的市場規模至少可達6000億元。

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

    在涉及大規模儲能的風電、光伏等領域，價格成本、能量密度比、循環壽命、能量利用率都是關鍵指標。與現有儲能系統相比，儲能型“超級電容電池”具有高功率密度、高能量密度、長循環壽命、充電接受能力強、綜合成本低廉等優勢，對此適應性極高――它僅“筆尖”大小體積，電容量達到1法拉；而傳統蓄電產品，“保溫杯”大小才有100微法；它的充放電循環壽命達到50萬次以上，是傳統蓄電產品的近500倍；它的充放電率達到95%至98%，高于傳統的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、動力系統等方面的成熟技術，儲能問題一直是上述產業的發展瓶頸――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，盡管各有優劣但對于穩定性、快速充電、高功率性等要求，難以均衡實現。

    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定的快速充電的要求，還實現了峰值功率輸出（啟動、爬坡、剎車等）需要的高功率輸出。其中全碳系可實現30秒充電，Ni-C和Pb-C系可實現0.5h完成充電，充電時間比傳統電池縮短5―10倍。

    據了解，當前市場上大多數電動車的“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穩定的電能，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，在電動車中可實現一組電池供電。

    過去，充電時間、功率的高要求和充電次數的限制，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”可實現大小功率同時充電；相對于傳統電池3000到5000次的充放電次數，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、太陽能微弱發電）時電荷存儲，提高能源的效率。

    傳統電動車由于動力電池穩定性很難保證，發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，傳統的鉛酸、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攝氏度均可實現正常工作，為特種行業、軍事領域提供豐富應用的空間。<