锂离子电池/超级电容器混合储能系统能量管理方法综述

锂离子电池/超级电容器混合储能系统因其良好的性能、较低的成本和较强的通用性,已成为应用最为广泛的混合储能系统。能量管理技术是混合储能系统的核心技术之一,也是当前主要的研究热点。为了系统地对混合储能系统能量管理方法进行综述,本文首先对锂离子电池/超级电容器混合储能系统的拓扑结构、能量管理架构以及功率分配控制进行了介绍;而后,本文将现有的混合储能系统能量管理方法分为基于经验、基于优化、基于工况模式识别和基于机器学习5大类并进行了详细的对比分析,重点针对规律性工况与随机性工况讨论了各类能量管理方法的效能,并分析了各类方法的鲁棒性与计算复杂度;最后,本文对现有的能量管理方法进行了总结,并对该领域未来的研究方向和发展趋势进行了展望。综合分析表明,提高对随机性负载未来工况的预测精度、建立更加精准的混合储能系统模型并通过云端协同进一步提升能量管理方法的实时性将是未来混合储能系统能量管理研究的重点。

混合锂离子超级电容器电化学与热特性研究

【目的】为研究混合锂离子超级电容器(hybrid lithium ion supercapacitor,HLIC)的性能,分析多种干扰因素对其电化学与热特性的影响。【方法】首先建立HLIC电化学热耦合模型;其次通过试验与数值模拟相互验证来证明模型的可靠性;最后分析阳极活性材料颗粒粒径、充放电倍率、电芯结构状态对HLIC的电化学与热特性的影响,并通过建立核壳模型绘制核壳图,从微观的角度分析了阳极活性材料颗粒粒径对HLIC电化学性能的影响过程。【结果】HLIC在高倍率的条件下,减小粒径可使阳极活性材料颗粒锂化程度显著提高,10 C倍率下粒径15.5μm与0.5μm的单体相比,前者能量密度降低了63.14%,平均发热率增加了121.66%,最大温度上升了17.7 K;而在低倍率的条件下,粒径对HLIC的性能影响不大,无须增加成本过分减小粒径,并且电芯在层压方向导热性较差,需要在层压方向上增加散热以保证其工作性能良好。【结论】本研究对各个场景所需的HLIC性能参数的选取具有一定的参考意义。

N/P比对锂离子混合型电容器性能的影响研究

锂离子混合型电容器因兼具锂离子电池的高比能量和超级电容器的高比功率优点而被高度重视。然而,负极/正极容量比(N/P)的变化,不仅会在初始循环过程中造成容量损失消耗活性锂,而且可能导致过充电和过放电,对锂离子混合型电容器的长期循环稳定性、快充性能和安全性能的影响很大。因此,研究N/P比对于首次库伦效率(ICE)、循环性能、快充性能和安全性能具有重要意义。本文采用活性炭和电池型材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)做复合正极材料(AC/NCM),硬碳(HC)做负极材料,设计并制备了不同N/P比(0.5、0.6、0.8、1.2、1.8、2.7)的软包锂离子混合型电容器,通过一系列研究表明,N/P比远大于1时,对能量密度和首效的发挥不利,N/P比小于1时,对安全性能极为不利。

锂离子电池与超级电容器复合的低温起动性能

铅酸电池低温下大电流放电能力显著减弱,不能快速可靠地起动车辆。测试磷酸铁锂锂离子电池组及其与超级电容器并联的复合电源的低温放电性能。超级电容器的低温大电流放电性能可对锂离子电池组的放电电流进行补偿,降低放电倍率。复合电源在-40℃下以180 A放电时,超级电容器放电电流最高为127 A,大大降低了锂离子电池组的放电倍率,放电电压提升34.9%。复合电源的低温大电流放电性能,可保障车辆的低温起动。

基于LMO和AC电极的锂离子超级电容器质量比调控

锂离子超级电容器结合了超级电容器高功率和锂离子电池高能量的特点而备受关注,正负极质量匹配对发挥锂离子超级电容器的性能至关重要。本文基于锰酸锂(LMO)正极、活性炭(AC)负极和乙腈电解液,设计制作了不同正负极质量比软包锂离子超级电容器,系统考察了电极质量比对锂离子电容器电性能、工作电压和低温性能的影响。结果表明:随着正负极质量比增大,锂离子电容器容量增大,倍率性能和低温性能提高,充放电曲线在高电极质量比下呈现线性关系,能量密度呈现先增大后减小的趋势。正负极质量比2/1时,锂离子电容器综合性能最优,50C的容量达到1C时的78.0%,最大功率密度为7247 W·kg^(-1),2.3 V下器件最大能量密度达到9.5 Wh·kg^(-1),3.1 V下器件和活性物质的能量密度分别提高至20.2 Wh·kg^(-1)和65.0 Wh·kg^(-1)。但宽工作电压会带来寿命衰减,在1~2.3 V充放电循环10000次容量保持率为93.0%,而在0.5~2.5 V充放电循环5000次容量保持率降至84.5%。在-40℃容量是25℃时的57.8%,能量密度依然还有5 Wh·kg^(-1)(2.3 V)。

纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料及其负极结构锂离子超级电容器

通过湿法纺丝工艺成功制备了纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料,并对其进行形貌表征与电化学性能测试。纳米硅颗粒嵌入石墨烯层间褶皱的结构具有限制硅材料在储锂过程中体积膨胀的作用,适于作为锂离子电容器负极。同时,研究了锂离子电容器多孔活性炭正极材料的双电层电容特性,通过组装成对称超级电容器,对其电化学性能进行测试,并结合材料的形貌,分析其作为锂离子电容器正极的合理性。为使正负极电荷匹配,分别对负极硅碳纤维和正极活性炭材料组装的锂离子半电池的倍率、循环稳定性、电化学阻抗等电化学性能进行了测试。结果表明,纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料的比容量最高可达826.2 mA·h/g(在电流密度为0.2 A/g时),活性炭比容量可达39.9 mA·h/g。组装成的锂离子电容器在合理的匹配条件下,充放电首圈循环比容量可达58.2 mA·h/g (在电流密度为0.2 A/g时),能量密度为26.8 W·h/kg,循环100圈后,比容量保持率降至41.7%。

高能量密度的锂离子混合型电容器

锂离子混合型电容器兼具锂离子电池和超级电容器的优点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景,但其产业化仍存在一系列的器件结构设计、电极材料筛选、预嵌锂工艺和电解液与电极的界面等基础及工艺方面的问题.本文结合作者课题组的研究工作,介绍了近年来高能量密度的锂离子混合型电容器的研究进展,内容涉及锂离子电容器正/负极材料的筛选、预嵌锂工艺的优化、内并联结构的锂离子电池型超级电容器复合正极组成材料的调控、隔膜的选择、电解液的组成、以及器件的高/低温性能,分析了锂离子电容器的容量衰减机制,探讨了锂离子电池型超级电容器的储能机制,并提出了未来对高能量密度的锂离子混合型电容器研究的展望.

混合超级电容器用锂离子电池材料的进展

综述了锂离子电池正极材料(LiCoO2,LiMn2O4)、负极材料(石墨,Li4Ti5O12,TiO2)和电解质锂盐(LiPF6,LiBF4,LiClO4)用于混合超级电容器领域的研究进展。

锂离子电池材料用于混合超级电容器研究进展

混合超级电容器是介于超级电容器和化学电源之间的一种新型储能元件,它具备超级电容器的高功率密度和化学电源的高能量密度特性。综述了超级电容器的工作原理、优点及研究进展,着重介绍了锂离子电池材料在混合超级电容器中的应用。归纳了超级电容器应用领域,并指出使用中应注意的事项及发展方向。

锂离子混合超级电容器研究进展

介绍了锂离子混合超级电容器(LHS)的工作原理,及其功率密度和能量密度高、循环寿命长、充放电效率高、安全性高等优点。综述了LHS的正负极材料和电解液的研究现状,从电容器构筑、电极材料可控制备和改性处理、电解液改性等方面对锂离子混合超级电容器的发展趋势进行了评述。

碳基锂离子超级电容器负极预嵌锂方法

超级电容器是一类新型的电化学能量存储器,具有功率密度高、充放电速度快和寿命长等优势。探究碳基锂离子超级电容器负极预嵌锂方法,通过对以炭为主要原料的负极材料实施一系列处理工艺,可得到预嵌锂炭材料。通过对预嵌锂炭材料的物理性能、电化学性能以及电容性能的测试,证明了该预嵌锂方法可显著提高超级电容器的能量密度、功率密度和循环稳定性。此外,还探讨了该预嵌锂方法的机理,并对其可能的应用前景进行了展望,对碳基锂离子超级电容器的开发和应用具有重要的理论和实际意义。

基于锂离子超级电容器的燃料电池混合动力系统能量管理研究

针对目前较为成熟的氢燃料电池汽车动力系统构型和能量管理中存在的不足,提出一种基于锂离子超级电容器和氢燃料电池的模糊控制策略的燃料电池汽车能量管理方法。改进的能量管理方法在传统蓄电池作为辅助电源基础上,运用了锂离子超级电容器,其拥有更大的功率密度和出色的能量密度,可以更好地满足汽车动力性需求。同时将传统功率跟随控制策略进行修改,采用模糊控制策略对新动力系统进行控制,在满足整车动力性的同时有效地提高了燃料经济性,且SOC和燃料电池负载变化情况都有明显改善。

锂离子电池/超级电容器混合系统的能量管理

为使锂离子电池与超级电容器合理地配合工作,提出基于逻辑门限的能量管理策略与改进的模糊控制的能量管理策略;再将两种管理策略复合,确定最终的能量管理策略。用Matlab/Simulink对以上3种能量管理策略进行仿真分析,设计的能量管理策略可在系统能耗基本不变的基础上,发挥超级电容器的辅助作用,合理分配能量,降低电池损耗,延长电池的使用寿命。在城市道路循环(UDDS)和欧洲经济委员会(ECE)工况下,电池损耗相比于单一能源分别降低43.4%和46.3%。

锂离子混合型电容器在线参数辨识方法研究

为了确保锂离子混合型电容器使用过程中的安全性和可靠性,需要对其运行过程进行监控和管理以及建模和参数辨识。利用戴维南等效电路模型中的2阶RC等效电路模型描述电容器的动态特性,采用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识锂离子混合型电容器模型的参数,最终实现了开路电压、欧姆内阻、极化内阻的在线辨识。其研究为锂离子混合型电容器的状态估计和寿命预测等工作提供了基础方法和参考。

石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望

由于独特的结构和优异的性质,石墨烯在锂离子电池和超级电容器领域展现出潜在的应用前景,受到了科学界和产业界的广泛关注,涌现出大量的研究工作。就石墨烯在储能领域的应用进行了分析、同时对未来发展趋势进行了预判,以期加强对石墨烯结构-性能关系的理解。首先就石墨烯在锂离子电池的正极和负极中的应用,以及石墨烯在双电层电容器和赝电容电容器中的应用进行了介绍,其次,针对石墨烯应用于双电层电容器中存在的挑战进行了论述,同时针对性地提出了应用于双电层电容器的石墨烯结构。最后,提出了实现石墨烯基双电层电容器的商业化应用的"三步走路线"。

基于超级电容器的动力锂离子电池均衡电路

这里对电动汽车等使用的串联锂电池组存在的多次充放电后不均衡问题,提出一种基于超级电容器和模糊控制的能量转移型均衡电路。该均衡电路从串联电池组中电压高的电池汲取能量,并转移给电压低的电池,从而维护了电池组电压一致性,具有结构简单,控制方便,快速有效的优点。这里对电路工作原理进行分析,介绍了基于模糊逻辑的控制策略,最后用实验结果证明了该均衡电路优良的稳态和动态特性。

超级电容器混合型电解液(EMIES+LiClO_4)的热力学和电化学性质

介绍了一种新型离子液体混合电解质(液),由离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯盐(EMIES)与高氯酸锂盐按照不同配比混合制备而成。测定了这种新型混合电解质(EMIES+Li Cl O_4)的一系列热力学性质,如:电导率、密度、表面张力等,发现其黏度和电导率随温度的变化呈相反趋势。锂盐的加入带来了混合电解液电导率的非线性变化,而当其中高氯酸盐的摩尔比为0.05时,电解液具有最佳电导率和黏度。进而,用此浓度的混合电解液与活性炭电极组装成超级电容器,采用交流阻抗、恒流充放电及循环伏安等测试手段对其性能进行测试与研究。结果表明:这种离子液体混合电解液电化学窗口达到5.1 V,单电极比电容为458.65 F·cm^(-3),充放电测试1000次以后,比电容只下降了1.9%。表明该混合电解液具有良好的电容特性、可逆性及循环特性,具备成为高性能超级电容器电解液的应用潜力。

大连化物所研制出新型“双高”锂离子电池——超级电容器混合储能器件

近期,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队在混合型电化学储能器件研究方面取得进展,构建了具有与锂离子电池类似工作机理的摇椅式电池——超级电容器混合储能器件,并通过电极容量和动力学"双匹配"策略,同时实现了器件的高能量密度和高功率密度("双高")。

TiO_2微球作为混合型锂离子电容器阳极材料性能研究

以钛酸异丙酯为钛源,通过溶胶-凝胶法合成TiO_2作为混合型锂离子电容器阳极材料。通过X射线衍射(XRD)测试和扫描电子显微镜(SEM)测试,结果表明:TiO_2材料的晶型锐钛矿,微观形貌为具有单分散性,直径为300nm的球体。将其作为阳极材料,活性炭为阴极材料组组装为混合型锂离子电容器。电化学性能测试表明:该设备同时具有离子的吸附/脱附和离子的嵌入/脱出两种不同的储能方式且性能在同类器件中较为优异;在功率密度为225W·kg^(-1)时,能量密度可高达42.94Wh·kg^(-1)。即使其功率密度高达4.45 kW·kg^(-1)时,能量密度仍可高达10.85 Wh·kg^(-1)。

大连化物所研制出新型“双高”锂离子电池——超级电容器混合储能器件

近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队,在混合型电化学储能器件研究方面取得进展,构建了具有与锂离子电池类似工作机理的摇椅式电池——超级电容器混合储能器件。并通过电极容量和动力学"双匹配"策略,同时实现了器件的高能量密度和高功率密度("双高")。