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。

锂离子电容器负极材料的研究进展

锂离子电容器是弥补锂离子电池和超级电容器缺陷的选择之一。锂离子电容器由电容型正极和电池型负极组成,但电池型负极材料较差的倍率性能和循环稳定性导致与电容型正极材料性能不匹配,阻碍了其应用。对负极材料改性成为近年来的研究热点。介绍锂离子电容器的工作原理,讨论锂离子电容器对负极材料的要求及转化型、合金型和插层型等3种负极材料的发展现状,对未来锂离子电容器负极材料进行展望。

低温锂离子电容器研究进展

锂离子电容器(LIC)采用了双电层电容器(EDLC)正极和锂离子电池(LIB)负极,因而兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命的优势.LIC在储能过程中正极表面发生电荷的可逆吸脱附,负极体相中存在Li+的反复嵌入/脱嵌,在低温环境下由于电解液的黏度、电导率等物化性质发生很大改变,严重影响了LIC中离子的正常运输和电荷转移,导致无法在低温工况下正常运转,限制了其全天候、宽温域的应用.因此改善LIC的低温性能成为现阶段亟待解决的问题,受到了业界的广泛关注.众多研究表明电极材料和电解液之间的相互作用直接决定LIC低温电荷存储的过程,是解决低温环境下LIC能量密度和功率密度低的关键环节.本文从电极材料和电解液两个方面综述了国内外LIC低温性能的研究进展,概述了现阶段低温碳基材料的化学改性、表面修饰、离子嵌入以及新型电极材料的研发,并从电解液的锂盐、溶剂、添加剂三部分出发,介绍了低温工况下电解液各组成部分对LIC性能的影响,对不同改进工艺进行了分类与总结,重点讨论了新型低温添加剂在LIC中的应用,最后总结了新一代低温电解液的研究进展并对具有宽温度工况的下一代LIC提供了初步展望.

金属硒化物储能机理及其在锂离子电容器中的应用

锂离子电容器(lithium-ion capacitors,LICs)是一种兼具锂离子电池和双电层电容器优点的新型功率型储能器件。然而,电池型负极的缓慢电化学动力学性能限制LICs的应用。金属硒化物因其良好的导电性、快速的反应动力学和高理论比容量等优点备受关注。本文对金属硒化物的分类、结构和性质进行系统介绍,并重点讨论插层机制、转化机制和合金化机制的三种储能机制。最后,分析结构调控、碳材料协同和双金属硒化物构筑等改性方案对电化学性能的影响,并介绍由以上三种改性方法制备的结构稳定和高离子/电子传输能力的金属硒化物材料在锂离子电容器中的应用。

MOF衍生多孔碳基材料的制备及其在锂离子电容器负极中的应用进展

锂离子电容器是一种兼具锂离子电池和超级电容器两者特点的新型功率型储能器件。然而,锂离子电容器电池型负极的动力学要慢于电容器型正极,导致其功率密度低、循环稳定性差等问题。金属有机骨架(metalorganic frameworks,MOF)衍生多孔碳基材料以其大比表面积的多孔结构,以及出色的化学稳定性等优点,成为电化学储能领域的研究热点。本文首先分析了锂离子电容器电极材料面对的挑战,阐述了锂离子电容器的储能机制。随后分析了碳化温度、热处理时间等碳化工艺对MOF衍生多孔碳基材料理化性质的影响,并着重讨论了受碳化工艺影响制备得到的不同产物组分类型。随后总结了MOF衍生多孔碳基材料在锂离子电容器中的应用进展,提出了与其他碳材料进行复合或掺杂改性是实现高功率密度、高能量密度的锂离子电容器负极材料的重要途径,最后对MOF衍生碳基电极材料的发展前景予以展望。

高性能锂离子电容器正极材料石墨烯-介孔炭复合物的制备及性能分析

【目的】设计同时具有高质量活性和高体积活性的锂离子电容器(lithium-ion capacitor,LIC)复合正极材料。【方法】借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、康塔全自动比表面和孔径分析仪、四探针测试仪,通过实验分析了颗粒之间的微观形貌、堆叠方式、接触模式和界面特性对复合电极的电导率、电学性质的影响规律。【结果】将介孔活性炭(mesoporous activated carbon,MC)与单分散石墨烯/单壁碳纳米管杂化物(graphene/single-walled carbon nanotube hybrid,GNH)混合,紧密压缩制成锂离子电容器正极材料。GNH均匀地包裹在MC颗粒表面,与MC面对面接触,增大接触面积;而且GNH在MC颗粒之间形成均匀的三维导电网络,提供了快速的电子传导。另外,GNH具有开放结构,会优先吸附电解液离子,与MC界面间存在浓度梯度;同时,GNH具有较高的导电性,与导电性较差的MC界面间存在接触电势差效应。两者共同促使GNH和MC界面之间形成快速的离子和电子双传输路径,促进离子在MC内部的扩散,从而避免了高电流密度下因离子扩散缓慢而造成的容量损失。【结论】添加5%GNH提高了倍率性能,并且在不牺牲堆积密度的前提下同时提高质量和体积能量密度。

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)。

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。

我国锂离子超级电容器实现完全国产化

2024年1月28日,由中国科学院青岛生物能源与过程研究所先进储能材料与技术研究组完成的高性能碳基锂离子电容器关键产业技术开发项目,在青岛通过了由中国化工学会组织的成果鉴定。由中国科学院院士、南开大学副校长陈军等9位专家组成的鉴定委员会一致认为,该技术整体达到国际先进水平,实现了关键电极的量产技术开发,促成了锂离子超级电容器的完全国产化,打破技术壁垒,解决了关键部件依赖进口的难题。

锂离子电容器正极材料的研究进展

锂离子电容器是介于锂离子电池和超级电容器两者之间的储能器件,兼具高能量密度和高功率密度,被认为是最有前途的电能储存系统之一。本文总结近年来碳基和嵌锂型正极材料的研究进展,详细介绍碳基和嵌锂型电极材料的分类和改性方法。为提高锂离子电容器的使用性能,通过微观结构调控、表面修饰、掺杂改性及复合材料等手段进一步优化正极材料,进行正负极动力学匹配,综合提高其电化学性能。最后梳理出未来锂离子电容器正极材料的研究热点集中在对正极材料微观结构的调控优化、元素掺杂和表面改性以及与其他材料复合等方面,并指出未来发展方向在于优化碳材料的结构与组成、克服倍率和循环性能的限制以及开发在高压下更稳定的正极材料等。

基于动力学匹配原则构筑高性能锂离子电容器

锂离子电容器作为新一代电化学储能系统,结合高能量和高功率密度的优势,满足多功能电子设备和电网侧储能的迫切需求。然而,电池型负极和电容型正极之间的动力学不匹配严重制约了其电化学性能。为解决这一瓶颈,制备一种高性能双碳锂离子电容器,该器件采用乙二胺四乙酸铁钠盐(EDTA-Na-Fe)衍生而成的碳材料同时作为正、负极。通过简单的煅烧,EDTA-Na-Fe可直接转化为氮掺杂碳骨架(NCF),该碳骨架具有较高的可逆容量和良好的电化学性能。使用NCF同时作为锂离子电容器的正、负极,能够在0.5~4.0 V的电压区间工作,并且由于使用同样的正负极材料,简化器件的构筑流程;在225 W·kg^(-1)的功率密度下,所构筑器件的能量密度能达到193.4 Wh·kg^(-1)。这种合理的动力学匹配策略为进一步发展高性能锂离子电容器开辟一条新的途径。

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%。

富锂镍酸锂(Li_(2)NiO_(2))作为预锂化剂对活性炭//硬碳型锂离子电容器电化学性能的影响

锂离子电容器(LIC)兼具大容量、高功率、长循环和宽温度特性,但在规模化制备中受限于预锂化这一“卡脖子”难题,导致应用推广受限。相较于负极预锂化,正极预锂化具有操作简便、产线适配性强、工艺成本低等优势。Li_(2)NiO_(2)(LNO)作为一种典型的正极预锂化剂具有储锂容量高、首次效率低、不可逆容量大、释放锂离子后相对稳定的特性,受到广泛关注。本文组装了以活性炭(AC)为正极、硬碳(HC)为负极的LIC,系统研究了正极活性材料组分中LNO的添加量(质量分数为0%,2%,5%,10%,分别命名为AC-Li0、AC-Li2、AC-Li5、AC-Li10)对LIC电化学性能的影响,发现添加量为10%时器件综合性能最佳。同AC-Li0相比,AC-Li10的循环伏安(CV)和恒流充放电曲线均呈现近似EDLC的容性行为,界面阻抗明显减小,高低温性能得以改善,在-40℃超低温环境仍具备10C放电能力,循环10000次(2.0~3.8 V)后容量保持率高达96.3%。此外,LNO的引入使得AC-Li10的额定电压可从3.8 V提升到4.0 V,器件在2.0~4.0 V测得的最大能量密度为61.21 Wh·kg^(-1),在最大功率密度20575.13 W·kg^(-1)下测得的能量密度为16.34 Wh·kg^(-1),优于商业化LIC。在LIC正极制浆过程中直接添加LNO作预锂化剂,能够显著改善器件的电化学性能并降低制程工艺成本,具有重要的科研和实用价值。

双碳基电极锂离子电容器的研究进展

锂离子电容器结合了锂离子电池和超级电容器的优点,可用于新能源储能等领域。双碳基电极锂离子电容器是现阶段的主要研究方向之一,其正负极均采用碳基电极材料,利用不同碳基材料的储能优势,不仅具有资源丰富、原料环保及安全性高的优点,而且具有优越的电化学性能。首先介绍了不同双碳基电极锂离子电容器的储能机理,并进一步阐述了各种碳基正极和负极材料的性能特点、改进方向和研究现状,最后展望了未来的研究方向及可行方案。

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。

轨道交通车用锂离子电容器低温有机电解液研究

在常规六氟磷酸锂(LiPF_(6))/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸甲乙酯(EMC)有机电解液体系中添加碳酸二甲酯(DMC)或乙酸乙酯(EA)溶剂,组成电解液;测试了各组电解液25℃、-25℃、-40℃时的电导率,结果显示EC+EMC+EA三元体系电解液电导率最高。使用三元碳酸酯基电解液的商业化3.8 V 1 Ah锂离子电容器在-40℃、10 C倍率放电时的容量为25℃、66 C倍率放电容量的84.6%~100%,显著提升了锂离子电容器低温高倍率充放电性能。

恒功率充放电条件下锂离子电容器的循环性能

本文探究了恒功率充放电条件下锂离子电容器的循环性能,为有效评估其在恒功率充放电条件下的循环性能及健康状态,以恒功率为前提,开展了循环次数(1~200次)、充电时间(1~3 h)、工作温度(5~45℃)下锂离子电容器循环性能的测试,以研究3种因素对锂离子电容器循环性能的相关影响,为锂离子在不同条件下开展锂离子电容器加速老化寿命测试提供一定参考。