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。

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。

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)。

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。

锌离子混合超级电容器电极材料研究进展

锌离子混合超级电容器兼具了锌离子电池的高能量密度与超级电容器的高功率密度和高循环稳定性的优点,在便携式电子设备和电动汽车领域具有极高的应用前景。本文介绍了锌离子混合超级电容器的工作原理,全面系统梳理了碳材料(活性炭、多孔碳、碳纳米管、石墨烯、生物质衍生碳和MOFs/COFs衍生碳)和赝电容材料(二氧化钌和MXene基材料)等电容型电极材料的储锌能力,归纳了金属锌、锰基氧化物和钒基氧化物等电池型电极材料的研究进展,指出高性能锌离子混合超级电容器电极材料目前所面临的挑战及未来的发展方向。

全国首个超级电容器+磷酸铁锂混合储能系统正式投运

随着全球能源结构的转型和“双碳”目标的推进,新能源的快速发展带来了电力系统能源结构的复杂化。电网频率波动的加剧,对电力系统的调频能力提出了更高的要求。传统的发电机组调频方式存在响应速度慢和控制精度低的问题,难以满足现代电网对快速、精准调频的需求。在这样的背景下,大唐鲁北公司与今朝时代合作,成功投运了全国首个超级电容器与磷酸铁锂混合储能系统,标志着电网调频技术迈入了一个新的时代。

氮氧共掺杂多孔炭的制备及其锌离子混合超级电容器性能研究

本研究以价格低廉、来源广泛的煤沥青作为炭前驱体、尿素作为氮源和模板、氢氧化钠作为活化剂,通过结合模板法与化学活化法成功制备了具有纳米片状结构的氮氧共掺杂的多孔炭材料。多孔炭电极在0.05 A/g时最大比容量高达255.5 mA·h/g,在电流密度为1 A/g时,放电比容量达到78 mA·h/g。经过12000次循环,容量保持率仍有72.4%,并且能量密度最高达到99.6 W·h/kg,展现出作为正极材料的巨大潜力。以煤沥青为原料制备的氮氧共掺杂多孔炭材料作为锌离子混合超级电容器的正极材料表现出了优异的电化学性能。

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%。

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。

混合盐电解液对锂离子电容器性能的影响

优化电解液配方可提高锂离子电容器的性能。以六氟磷酸锂(LiPF_(6))和离子导电性好、热稳定性高的双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)为溶质,碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/碳酸甲乙酯(EMC)(体积比1∶1∶1)为溶剂,配制锂离子电容器电解液。调控LiTFSI的添加量,研究LiPF_(6)和LiTFSI混合盐电解液对镍钴锰酸锂(LiNi_(0.5)Co_(0.3)Mn_(0.2)O_(2))+活性炭(AC)/硬碳(HC)锂离子电容器性能的影响。通过循环伏安、线性伏安、交流阻抗和充放电等测试,比较各电解液体系中锂离子电容器的比容量、循环稳定性等性能。与LiPF_(6)电解液相比,LiTFSI的加入可提高电解液的导电性和电压窗口,改善器件的容量发挥和循环稳定性。当LiTFSI添加量为0.2 mol/L时,锂离子电容器的比能量和比功率最高,以5.0 C倍率在2.5~4.0 V循环5000次后,容量保持率达91.3%。

锂离子电容器的工作特性及其在混合动力汽车上的应用研究

从锂离子电池作为混合动力汽车储能单元时面临的充放电功率不足、低温性能不满足整车低温启动要求以及低温行驶出现蠕行等问题出发,研究与锂离子电容器相比锂离子电池在充放电、内阻、安全性能以及循环耐久等方面的优劣势。基于锂离子电容器工作特性的研究结果,通过搭建整车动力性和经济性仿真模型,预测锂离子电容器工作特性对于整车动力性和经济性的影响。最终,通过实车搭载试验研究锂离子电容器应用于混合动力汽车对于整车动力性和经济性的影响,探索在混合动力汽车上以锂离子电容器替代锂离子电池的可行性,并为未来锂离子电容器在混合动力汽车上的应用提供有益的技术指导。

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”混合储能系统的建模与状态估计

在混合储能系统中,状态估计是进行各储能元件间功率分配和控制策略调整的基础。为减小状态估计误差对后续能量管理的影响,以“锂离子电池-超级电容”混合储能系统为研究对象,进行建模仿真和精确状态估计。首先在辨识基本元件参数后,基于电路的物理结构,在MATLAB/Simulink环境中搭建了混合储能系统仿真模型,用于快速准确的模拟实物实验。然后综合复杂度和估计精度考虑,重新选择以整体形式的理念建立了电池组和超级电容组模型,用于配合“EKF-两点法”进行荷电状态与健康状态的联合估计。最后,经实验验证表明,状态估计误差都在5%以内,即建立的仿真模型能够准确反映元件运行特性且联合状态估计算法精度较高。

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%。

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"。

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.