中科院电工所孙现众:2025年底超级电容器可达千亿美元的市场规模

在8日“电磁储能”分论坛上,中国科学院电工研究所副研究员孙现众作题为《高能量密度锂离子混合型电容器》的演讲。

2018年全球超级电容器市场规模300亿美元,按照三年年均20%的增长计算,预计2025年底可以达到一千亿美元的市场规模。技术发展的角度看,超级电容器发展经历了两个阶段,2000年之前和之后是两个阶段。2000年以前是双电层的电容器为主,正、负极都是活性炭。2000年以后有新的发展,发展出了混合型的。

——中国科学院电工研究所副研究员孙现众

8月7日-8日由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开,北极星储能网对论坛进行全程直播。

在8日“电磁储能”分论坛上,中国科学院电工研究所副研究员孙现众作题为《高能量密度锂离子混合型电容器》的演讲。

中科院电工所孙现众:2025年底超级电容器可达千亿美元的市场规模

中国科学院电工研究所副研究员孙现众

以下为发言实录:

中国科学院电工研究所副研究员孙现众:超级电容器有独特的特点带来比较广泛的应用,高功率密度,低温,长循环寿命,宽工作温度范围是其它的储能器件不能取代的。2018年全球市场规模300亿美元,按照三年年均20%的增长计算,预计2025年底可以达到一千亿美元的市场规模。国内有望在2025年达到400亿的规模,有轨电车、城市公交、AGV、风能、光伏发电领域都有比较快的增长。消费电子,比较小的电容比较成熟,国内做的比较不错。还有就是风力发电机级变浆系统,现在国内的产品也是不错的。JG和智能电网领域正在成长阶段。

超级电容器市场概况。风电和智能三表是小电网,之后还会有比较大的增长,尤其是物联网发展起来以后对小电容的产业有比较大的需求。电动汽车市场有复苏的迹象,增长前几年有一段时间是采用了超级电容。电动汽车有补贴以后,对锂电池按照燃油来补贴以后,超级电容器有所拓展。国内替代进口效果显著,国产产品开始进军美国市场。关键材料逐渐国产化,成本进一步降低。技术发展的角度看,经历了两个阶段,2000年之前和之后是两个阶段。2000年以前是双电层的电容器为主,正、负极都是活性炭。能量密度低。比较稳定的2.5-2.7V的,现在还有2.85V和3V。这个体系的正负极都是活性炭物理吸附的。2000年以后有新的发展,发展出了混合型的。电压可以做到3V、4V,比较早产业化的是日本的公司。按照需求,我们超级电容器的短板是能量密度,我们追求的就是怎样尽可能的提高能量密度。

方法很简单,拿氧化石墨烯,在氯化铁的溶液里浸泡,热处理以后直接得到石墨烯的复合物。材料还是以石墨烯为主,碳的含量达到75%,四氧化三铁的含量是25%。我们把复合材料作为负极,活性炭作为正极,1-4V的区间里循环,容量保持率80%多。多孔碳纳米层材料,采用了葡糖糖和氧化镁一起进行碳化,然后可以得到介孔结构的碳纳米层。循环5000周以后,容量保持大于96%。壳聚糖作为碳源和氮源,乙酸甲和乙酸镁作为剂。我们把这个材料做了正极,多孔石墨烯作为负极,能量密度146瓦时每公斤。采用MXene和碳纳米管做的复合材料。我们都知道硅碳材料是非常好的锂电池的材料,硅碳材料容量高,但有很多缺点。容易粉化和失效,但这个材料能不能用在锂电容方面,我们也做了一些实验。硅碳材料和石墨复合,我们把这个材料和活性炭进行组装,比例是3:1性能比较好的。

自蔓延高温合成介孔石墨烯,特点是杂质比较少,因为都是用氧化镁比较纯的,也没有其它的东西。它的导电率也非常好。我们把介孔石墨烯和导电炭黑做了复合剂。采用复合导电剂以后阻抗最小的,即使加了负极也感觉问题不大。比较常规的两种商品化的活性材料,硬炭和软炭,硬炭是规则的情况,软件是不规则的情况。两种材料的电化学性能区别,形状是差不多的都像漏斗一样的力量集中在0.7以下的区域。再往上走基本没有与石墨差异还是比较大的。硬炭的使用效率更低一些,它与软炭相比比较低。从容量来讲也是软炭的容量高,软炭接近300,硬炭接近200。观察拉曼和导电率会发现,软炭的结构上更规整,导电率也会高一些。

锂离子电容器制备和示范应用,我们申请了一系列的专利,9项已经授权。锂离子混合型电容器做了一些工作。我们制备的器件,这是500F的器件。能量密度来讲,性能还是不错的。我们做的安全测试,针刺、短路、挤压、高温,均没有出现爆炸和起火等安全现象。去年做了小批量的样品,500支,分拣240支单体做了模组。我们把模组放在观光车上,铅酸直接拆掉,全部用我们的锂离子电容器。充电两分钟可以跑3-5公里。

锂离子电池型电容的研究,这是介于锂电池和电容器中间的储能器件。采用活性炭和三元混合的正极。我们把预嵌锂的技术应用,比容量提高37%。通过预嵌锂以后,它的容量有很大的提升。锂离子电池电容的功率密度5.76千瓦每公斤,循环12700周以后,效果也是非常好。国内最早做电池电容的,第二年申请了发明专利。锂离子电容器的等效电路模型及参数辨识,今年刚发布文章。SOC估算,基于改进的立方卡尔曼滤波器。热模拟的工作,不同的SOC的条件下的生热速率。

镍铅电池,三元的磷酸铁锂,还有就是锂离子电容器的指标。电容器有很大的压力。超级电容器在现有的技术要提高,还得考虑有没有新的技术和新的材料。锂离子电容器希望它的能量密度达到50,功率密度达到10千瓦每公斤,能量密度接近铅蓄电池、镍氢电池。电极材料,器件及电容电池的功率,柔性超级电容器。

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