[摘要]日前，中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称青岛能源所）研究员崔光磊带领团队，采用石墨烯基复合材料路线，开发出容量可控的锂离子电容器器件。
为电动车快速又节能地进行充电，是很多用户所期盼的。日前，中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称青岛能源所）研究员崔光磊带领团队，采用石墨烯基复合材料路线，开发出容量可控的锂离子电容器器件。
该锂离子电容器器件在30c（电池充放电时电流大小的比率）倍率下充放电1万次容量保持率达94.7%、2万次容量保持率达84.3%以上，目前已成功在电动自行车上进行了示范应用。
用什么储能
目前，常见的电动自行车、电动摩托车以及电动三轮车广泛采用铅酸电池为电源。铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。
据崔光磊团队成员、青岛能源所高级工程师韩鹏献介绍，铅酸电池最大的优势在于生产工艺相对简单，价格低廉，老百姓容易接受，而其缺点在于使用寿命短（充放电500次），充电时间长（数小时）。
据了解，铅酸电池腐蚀后会溢出含铅重金属和酸性物质，不但严重污染土壤和水源，对空气环境、生态平衡也会造成破坏，还会引发人体代谢、生殖及神经等方面的疾病。
随着世界各国对环保问题的关注，铅酸电池所带来的环境污染问题不容小觑，这也对电动车的储能设备提出了节能环保的新要求。
如今随处可见的电动汽车同样面临着储能问题。电动汽车采用电池替换燃油来驱动行驶，包括纯电动汽车及混合动力汽车，目前应用最为广泛的是锂离子电池。
韩鹏献指出，尽管单体能量密度可达120wh/kg，但其功率密度仅为500w/kg左右，限制了电动汽车功率性能发挥。
随着超级电容器的日益兴起，采用超级电容器作为电动汽车电源日益增多，在一些地方公交线路开始示范运营，其最大优点是功率密度高达10kw/kg以上，循环寿命数万次，但常规的双电层超级电容器由于工作电压低（<2.7v），能量密度仅为2~5wh/kg。
在此背景下，锂离子电容器迅速发展起来，成为一种新型高能量密度、高功率密度、长寿命储能器件。
攻下技术关
传统意义上的锂离子电容器，正极采用双电层超级电容器使用的高比表面多孔炭电极材料，通过吸附电荷储存电能；负极采用锂离子电池石墨负极材料，通过电化学嵌入反应储存电能。
据韩鹏献介绍，锂离子电容器的能量密度可以与铅酸电池相媲美，而其优越的功率性能是铅酸电池和锂离子电池所无法企及的。
因此，锂离子电容器作为经济型环保电动车电源，需要大功率充放电场合，如高速铁路、城际轨道交通中的启动电源、制动能量回收系统；在恶劣条件下，如极端寒冷条件时，作为电动汽车、坦克车、军用运输车的冷启动电源，可以发挥出铅酸电池及锂离子电池无法与其比拟的快速充放电优势；在特殊场合下，可作为快速能量补给装置，凸显其独特作用。
然而，崔光磊团队也发现了锂离子电容器技术难点之一，那就是充放电之前向负极中预嵌锂关键技术，以保证器件可以平稳的在电压窗口下工作。崔光磊表示：“如果预嵌锂方式不当、预嵌锂量不足或过量、嵌锂分布不均匀，都能造成循环寿命下降。”
他还指出，锂离子电容器另外的技术难点在于，如何改善负极快速充放电性能。锂离子电容器优势是提高了能量密度的同时，功率性能仍可以具有双电层超级电容器那样优越，但锂离子电容器负极是通过电化学嵌入、脱出反应储存电能，不同于正极通过极化物理吸附电荷那样，可以快速吸收、释放电能。
因此负极活性材料物理结构、整个负极的成分构成显得尤为重要，这就要通过减小负极材料尺寸，缩短离子扩散路径，或构筑可以实现快速传输离子的通道和电子转移的空间网络，或辅以功能性添加剂，改善负极成分构成，增强电子和离子混合传输速度，实现锂离子电容器的高功率输入、输出性能。
崔光磊团队攻克了程序化预嵌锂、正负极浆料在特殊集流体上涂布、软包装器件胀气抑制、模块化系统集成等多个工程化关键技术难点。
筹备产业化
崔光磊团队通过示范应用发现，采用锂离子电容器作为电动车电源，相比于铅酸电池，充电速度明显提升。
铅酸电池需要10小时左右方可充满电，而锂离子电容器仅需1~5分钟即可，锂离子电容器寿命长达数万次，相比铅酸电池（500次左右）和锂离子电池（1000次左右），其长期使用性价比优势明显。
在各个城市大力发展经济型环保电动车短程内自由换乘的趋势下，锂离子电容器电动车快速充电优势明显。在高速铁路、城际轨道交通大力发展的今天，锂离子电容器更是显示出特有的优势。
有国内专家指出，发展有站点、有规律、站间较近的储能式轨道交通，是非常必要的，在乘客上下车期间，快速充电；在启动时，可以瞬间加速，在制动时，可以将能量加以回收储存。
目前，崔光磊团队正在与国内一些电动车企业洽谈合作，初步定位于将锂离子电容器作为电动车启动电源以及经济型环保电动自行车电源进行示范推广，通过技术转让或参股形式进行规模化生产。
崔光磊说：“在国家高技术研究发展计划‘863’项目及青岛市战略性新兴产业培育计划项目的支持下，我们下一步将围绕提高器件能量密度，解决恶劣工况条件下保持高性能等方面展开科技攻关，进一步提升该型电容器的技术水平。”
（责任编辑：储星星）