进入绿色高效储能与动力的“新能源”时代

日前记者获悉，四川能宝电源制造有限公司与电子科技大学超级电容器研究小组，历时5年合作与创新，采用自主知识产权的高表面活性炭和石墨烯等高性能材料、新颖的电池与超级电容电极融合技术、先进的表面改性与微结构调控技术等关键技术，成功地开发出一种新概念高性能“超级电容电池”（Supercapattery）。

包括全碳系、Ni-C系、Pb-C系等三个系列，动力型和储能型两大类型的“超级电容电池”产品，具有高功率放电、超快充电、长循环寿命、充电接收能力强等特性。其中，全碳系的单体电容量达5000—10000法拉；Ni-C系和Pb-C系产品放电功率和循环寿命分别比传统的Ni-H或铅酸电池都提高了2—3倍，Ni-C系和Pb-C系产品的循环充电次数分别可达2000次和3000次以上。

目前，该成果在四川省科技厅的指导下，已与从事电动汽车动力总成设计与制造的成都联腾动力控制技术有限公司、从事电动自行车制造的成都宽和科技有限责任公司，与从事分布式能源系统设计和可再生能源储能电站工程的四川佳灵电气有限公司、四川阿海珐电气公司，以及与应急电源开发制造的成都富强电子电器科技有限公司和从事新能源器件与系统测试和标准化的中国测试技术研究院等密切对接，并组建四川绿色高效储能与动力系统产业联盟。该产品可充分满足当前新能源时代，对电动汽车等动力系统和光伏、风电等大规模储能系统对电池的需要。

“超级电容电池”的诞生：从特斯拉汽车说起

今年10月，一辆特斯拉ModelS电动汽车发生着火，虽然事故原因由碰撞引起，但其中使用“镍钴锂材料电池”的易燃性，再次引起人们对锂离子动力电池产业发展关注。

从1799年伏特制成世界上第一个电池“伏特电堆”以来，持续而稳定的获取能源，是人们对电池发展的不懈追求。1890年，爱迪生发明“铁镍电池”，可反复充放电的“蓄电池家族”从此走进人们生活。在当今以风电、光伏为代表的新能源时代，“蓄电池”的重要性逐渐凸显，能量重量比高、电压高、自放电小、可长时间存放等优点的锂电池、锂离子电池正成为业界“宠儿”。但由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂电领域的加工、保存、使用，对成本、环境要求非常高，加之及其自燃的特性，使得锂电池在风电、光伏及电动汽车等新能源储能、动力应用方面总是差强人意。特斯拉电动汽车着火，也印证了这一事实。

研发一种能够“超越”锂电池的新材料电池，正为世界各国科学家及新能源产业界所重视。

2008年底，四川聚能科技在开展自主研发的“高性能超级活性炭材料”的市场化和下游高附加值产品的开发时，与电子科技大学超级电容器研究小组走到一起，决定以“超级电容集成电池技术”展开研究开发与产业化合作。双方从能量存储的微观机制入手，结合物理储能和化学储能的特点，对电荷存储的物理空间进行大胆推理，提出了准二维空间存储电荷的电容电池构想。这是一种将“高性能超级活性炭材料”特性，与电池和超级电容特性结合的创新研发成果，目标是实现一种既具有电池的高能量密度，又具有电容的瞬间高功率密度，并能改变传统电池环境污染、成本高昂及安全性不高等劣势的产品。

经过不懈探索，研究小组采用自主知识产权技术开发的新型高表面活性炭材料和石墨烯技术，开发了独特的纳米化和微结构调控技术、先进的材料表面改性技术、创新性的电池与电容电极融合技术、新颖的配方设计技术等一系列先进技术，并整合了先进的电极加工工艺技术，最终开发成功了具有高功率密度、高能量密度、长循环寿命、快充电特性和充电接受能力强的超级电容电池。

这种电池产品分为全碳系、Pb-C系、Ni-C系等三个系列，动力型和储能型两大类型。在全碳系超级电容电池中，功率型单体容量大于5000至10000法拉（2.7V），功率密度大于5kW/kg，循环寿命大于500000次；能量型单体能量密度大于25Wh/kg，循环寿命大于10000次。在Ni-C系超级电容电池中，能量密度大于60Wh/kg，功率密度大于1.5kW/kg，循环寿命大于3000次；在Pb-C系超级电容电池中，能量密度大于45Wh/kg，功率密度大于1kW/kg，循环寿命大于2000次。

绿色高效储能：光伏、风电等新能源产业变革

随着风电、光伏等新能源与可再生能源的大规模应用，储能系统作为破解这些新能源间歇性、波动性的解决方案，愈发受到重视，但行业科技进步却任重而道远——由于其应用范围广泛，涉及到电力的输发配、新能源、电动汽车等各个领域，储能的技术路线也相对分散，截至目前储能领域还没有一种通用技术可以满足全部的需求。目前，储能产业作为新兴战略性产业，已被列入我国“十二五”规划纲要，预计到2020年，国内整个储能产业的市场规模至少可达6000亿元。

如何将更多的新能源电力稳定纳入电网，正是“超级电容电池”未来目标之一。

在涉及大规模储能的风电、光伏等领域，价格成本、能量密度比、循环寿命、能量利用率都是关键指标。与现有储能系统相比，储能型“超级电容电池”具有高功率密度、高能量密度、长循环寿命、充电接受能力强、综合成本低廉等优势，对此适应性极高——它仅“笔尖”大小体积，电容量达到1法拉；而传统蓄电产品，“保温杯”大小才有100微法；它的充放电循环寿命达到50万次以上，是传统蓄电产品的近500倍；它的充放电率达到95%至98%，高于传统的70%至75%。

绿色高效动力：电动汽车、电瓶车等新能源动力革命

电动汽车、电瓶车是与我们“走得最近”的新能源产品，长期以来相较于控制系统、动力系统等方面的成熟技术，储能问题一直是上述产业的发展瓶颈——目前的电动车蓄电池，包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠基电池、二次锂电池等，尽管各有优劣但对于稳定性、快速充电、高功率性等要求，难以均衡实现。

动力型“超级电容电池”破解此项难题——不仅很好满足了动力电池安全稳定的快速充电的要求，还实现了峰值功率输出（启动、爬坡、刹车等）需要的高功率输出。其中全碳系可实现30秒充电，Ni-C和Pb-C系可实现0.5h完成充电，充电时间比传统电池缩短5—10倍。

据了解，当前市场上大多数电动车的“电力组合”分为电容、电池两部分，前者提供启动时的大功率，后者保障运行时持续稳定的电能，这种设计不仅构造繁杂也提升了电动车的成本。但动力型“超级电容电池”却兼具较大功率密度和能量密度，在电动车中可实现一组电池供电。

过去，充电时间、功率的高要求和充电次数的限制，是人们对电动车的诟病之一。相对于锂电池不接受低功率充电的特性，动力型“超级电容电池”可实现大小功率同时充电；相对于传统电池3000到5000次的充放电次数，动力型“超级电容电池”可达到5000到10000次。此外，由于超级电容电池具有充电接受能力超强的特点，特别适合于超大电流（如刹车时的能量回馈）和微弱电流（如风能、太阳能微弱发电）时电荷存储，提高能源的效率。

传统电动车由于动力电池稳定性很难保证，发生事故时容易热失控，但动力型“超级电容电池”由于采用完全不同的新型高表面活性炭材料和石墨烯技术，完全避免了此类风险，同时对环境不再造成重金属和化学污染。同时，在一些涉及低温和超高温的特种领域特殊行业，传统的铅酸、锂电池效能会大幅下降，但动力型“超级电容电池”在-40摄氏度到70摄氏度均可实现正常工作，为特种行业、特种领域提供丰富应用的空间。

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超级电容电池

通过独特材料表面改性技术、新颖配方设计技术、创新性电池与电容电极融合技术等一系列关键技术，整合先进电池电极加工工艺，开发出的一种高功率密度、高能量密度、快充特性优异、长循环寿命、电荷吸收能力强的电池。重点解决了储能系统存在的使用寿命短、安全性低、运行不稳定、成本高；动力系统存在安全隐患大、成本高、充电时间长、污染环境等行业共性问题。既具二次电池高比能量的显著特点，兼有超级电容器功率密度大、可快速充放电、循环寿命长、能量转换效率高、使用环境温度范围宽、安全无污染等优点，是一种新型的高性能储能器件，填补了传统电容器和二次电池的中间空白，是一种先进的绿色高效储能和动力系统电池。

“超级电容电池”的未来

广泛应用于消费类电子及仪器仪表，包括手机、播放机、电动玩具、电动工具、无绳电话、智能电表等；交通运输领域，包括混合动力汽车、低速短途纯电动车辆（电动叉车、机场牵引车、搬运车、景区环保车、高尔夫车、巡逻车、环卫车等）、电动船艇、电动自行车、电动摩托、车辆低温启动和启停系统等；通信领域，包括UPS电源、EPS电源（通信基站、交通信号灯、野战应急电源、边防哨所、电信机房等）；再生能源领域，主要包括光伏、风力发电储能系统、错峰储供电源系统、采油（气）平台等，以及特种领域、特种行业，包括舰船、核特种储电系统、战车混合电传动系统、坦克低温启动、激光武器、电磁炮弹点火等。