青島能源所開發(fā)出石墨烯基鋰離子電容器

　　隨著能源危機(jī)以及環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，社會(huì)對(duì)基于能源互聯(lián)網(wǎng)的近零碳排放區(qū)推廣非常期待，這對(duì)分布式儲(chǔ)能技術(shù)提出更高要求。同時(shí)，新能源電動(dòng)汽車、高鐵/城市軌道交通制動(dòng)能量回收等領(lǐng)域也迫切需求高能量密度、高功率密度兼顧的電化學(xué)儲(chǔ)能器件。

　　鋰離子電容器是一種兼具雙電層超級(jí)電容器高功率特性與較高能量密度特點(diǎn)的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有非常好的發(fā)展前景。因此，國家工業(yè)和信息化部《中國制造2025》把高能量密度（大于20Wh/kg）動(dòng)力型電容列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域。然而，由于相關(guān)技術(shù)被國外公司壟斷，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)還未掌握核心技術(shù)。近年來，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院研究團(tuán)隊(duì)圍繞高能量密度鋰離子電容器關(guān)鍵材料與核心技術(shù)，開展了一系列原創(chuàng)性研發(fā)工作。12月22日，青島儲(chǔ)能院研發(fā)出的新型石墨烯基高能量度鋰離子電容器技術(shù)在北京通過了由中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的專家鑒定和評(píng)價(jià)。鑒定委員會(huì)專家認(rèn)真聽取了工作報(bào)告、研究報(bào)告、第三方測(cè)試報(bào)告、應(yīng)用報(bào)告及查新報(bào)告，審查了有關(guān)技術(shù)資料，通過質(zhì)詢、答辯和討論，一致認(rèn)為該項(xiàng)成果創(chuàng)新性強(qiáng)，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有較好的推廣價(jià)值，并建議盡快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，滿足國家需求。

　　該技術(shù)突破了石墨烯復(fù)合電極設(shè)計(jì)與批量制備、可控均勻預(yù)嵌鋰、充放電脹氣抑制及特殊集流極片涂布等技術(shù)難題，在實(shí)踐中總結(jié)出石墨烯基鋰離子電容器制備技術(shù)和工藝，并自力更生設(shè)計(jì)建設(shè)了國內(nèi)第一條鋰離子電容器的中試生產(chǎn)線，研發(fā)出了最高容量3500F/4V型鋰離子電容器單體，器件的能量密度高達(dá)55Wh/L（20.5Wh/kg）、功率密度高達(dá)5 kW/L，循環(huán)性能好（10000次循環(huán)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(guān)器件已通過原輕工業(yè)部蘇州電源所的第三方權(quán)威檢測(cè)。

　　從實(shí)驗(yàn)室的原理論證、小試突破到中試放大，青島儲(chǔ)能院團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年艱苦的技術(shù)攻關(guān)，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(fù)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; J. Solid State Electrochem., 2013, 17, 1479）、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(guān)材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制和界面效應(yīng)（ChemPhysChem, 2010, 11, 3219；Coordin. Chem. Rev., 2013, 257 , 1946），最后確定了氮摻雜石墨烯復(fù)合材料路線和相對(duì)應(yīng)的技術(shù)路線。

　　下一步，鑒于該儲(chǔ)能器件兼顧較高功率和較高能量密度，快充快放，非常適合作為能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“能量桶”，青島儲(chǔ)能院正在基于該“能量桶”，利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立一個(gè)小型的近零碳排放示范區(qū)。圍繞該儲(chǔ)能器件的關(guān)鍵材料和核心技術(shù)，青島儲(chǔ)能院已獲得授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。值得說明的是，2015年初青島儲(chǔ)能院就已經(jīng)利用該器件構(gòu)建48V系統(tǒng)在電動(dòng)車電源等方面進(jìn)行了示范應(yīng)用，最近青島儲(chǔ)能院正爭(zhēng)取把此技術(shù)盡快用于軌道交通領(lǐng)域。

　　青島能源所開發(fā)出石墨烯基鋰離子電容器