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  负极预嵌锂是制备高性能锂离子电容器的关键技术之一,锂离子电容器负极预嵌锂技术研究取得重要进展

2020年3月19日 - 澳门金莎娱乐网站

日前,中国科学院电工研究所超导与能源新材料研究部马衍伟团队在锂离子电容器负极预嵌锂技术方面取得进展,相关研究结果发表于材料期刊Energy
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Materials。  Li3N预嵌锂过程示意图  锂离子电容器是一种介于超级电容器和锂离子电池之间的新型储能器件,具有高能量密度、高功率密度、可快速充放电、长循环寿命和安全性能好等优点,在轨道交通、电动汽车、新能源发电、航空航天和国防军事等领域有着广泛的应用前景。  负极预嵌锂是制备高性能锂离子电容器的关键技术之一。该研究创新性提出了以高比容量的Li3N作为锂离子电容器的预嵌锂剂,首次采用干法工艺制备出活性炭与Li3N复合正极,软碳材料作为负极,组装成软包装锂离子电容器。Li3N在首周充电后完全分解为Li+和N2,Li+进入负极完成预嵌锂过程,N2通过二次封口工艺排除,不残留非电化学活性物质。基于电极材料的能量密度达到74.7Wh/kg,功率密度达到12.9kW/kg,且循环10000周后容量保持率为91%。该方法操作工艺简单、效率高,易于实现锂离子电容器的规模化制备。  该研究团队近年来在锂离子电容器规模化制备以及应用示范方面开展了大量的研究工作,取得了一系列研究成果。在11月举办的“2019超级电容产业年会”上,其研究成果“我国自主研发的全碳型锂离子超级电容器实现装车示范运行”被中国超级电容产业联盟评选为“2019中国超级电容产业十大事件之一”。  
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Li3VO4材料的电化学性能测试结果如下图所示,图a为充放电曲线,其首次放电容量和充电容量分别为529mAh/g和413mAh/g,图b为倍率性能测试,从测试结果上可以看到,在1、2、4和8A/g的电流密度下,该材料的容量可达372、354、333和300mAh/g,在12和20A/g的大电流密度下,材料的放电容量仍然可达271和203mAh/g,表明该材料具有非常良好的倍率性能。从图c循环性能可以看到,该材料具有非常优异的循环性能,在320mAh/g的电流密度下,循环500次容量保持率可达96%,循环1500次容量保持率可达88%。

在“十二五”863计划先进能源技术领域“高性能化学储能电池及示范电站关键技术研究”主题项目支持下,“高比能、低成本的新型超级电容器关键技术研究”、“长寿命锰酸锂系储能电池关键技术及示范”等课题均取得了重大进展,近期通过了技术验收。
据科技部微博“锐科技”8月15日消息,在“新型超级电容器”方面,突破了高能量密度高功率密度长寿命超级电容器的制备技术瓶颈,研制了多孔石墨烯、高耐压电解质盐和电解液、纤维素隔膜等材料,开发了干法制备电极片中试技术,突破了(3.0V/12000F)超级电容器产业化的核心技术,产品已在机械能回收、超级电容器轨道车辆方面在国内外获得应用。目前国内在超级电容器方面从材料、器件到系统集成已形成核心技术体系,改变了超级电容器在十一五期间由国外产品垄断的局面。
在“长寿命锰酸锂系储能电池”方面,开展了层状锰酸锂、表面包覆单晶锰酸锂、铝钴共掺杂锰酸锂正极材料、沥青和树脂衍生的硬碳负极材料、功能电解液的研究,以及单体电池、模块和储能系统的研究,掌握了长寿命低成本锂离子储能系统的产业化关键技术,单体寿命已经超过3000次,最高达到6000次。在国际上完首次成了2套50kW/100kWh级层状锰酸锂/硬碳锂离子电池储能系统的开发并示范运行;同时开发了20kWh家用太阳能发电储能系统,3kWh备用应急电源等应用示范。
在“全固态锂离子储能电池”方面,成功开发出高电导率的Li2S-P2S5二元系和Li2S-GeS2-P2S5三元系固体电解质,掌握了Li2S-P2S5体系玻璃陶瓷固体电解质材料的制备方法,非晶前驱体的制备方法取得较大突破,实现了高效率的稳定制备。目前已经实现硫化物固态电解质的公斤级制备能力。研制了具有核壳结构和组分梯度的高镍组分层状正极材料。采用上述二元系硫化物固体电解质和正极,研制了容量为4.0Ah和8.0Ah的固态锂电池,室温循环次数达到了500次,优化了大型全固态软包电池的组装工艺,推进了全固态锂离子电池的产业化进程。
在“新型锂硫化学储能电池”方面,开发了高能量密度锂硫电池制备技术,研制的35Ah锂硫电池比能量达到566Wh/kg(25℃测试),达到了世界领先水平。初步开发了1kWh锂硫电池组和12kWh大容量锂硫电池组,实现了其与太阳能电池耦合发电示范。采用单质硫的大容量锂硫电池及电池组的技术产品具备用作长航时无人机机载能源系统等领域的潜力,推广应用前景广阔。
此外,在“低成本钛酸锂系储能锂离子电池”方面,打通了低成本材料量产、长寿命高一致性电池及模块、电站示范及推广全产业链,搭建了基于钛酸锂系负极材料的移动式储能示范装置,进行了0.5MWh/1MW钛酸锂电池储能电站的光储应用示范,为钛酸锂系储能的应用奠定了基础。
本项目的实施,在一定程度上满足了可再生能源和智能电网的大规模储能需求,促进了风能、太阳能的有序开发与资源合理配置,提高了间歇性新能源的并网技术水平,为我国储能电池材料-电池-集成-示范产业链提供了较为完整的技术支撑体系,为今后该产业的可持续发展构建了具有国际竞争力的产业化平台,促进了中国储能行业的发展,增强了中国能源可持续发展的战略地位,市场前景广阔。
标签: 电容器

锂离子电容器负极预嵌锂技术研究取得重要进展
日前,电工研究所超导与能源新材料研究部马衍伟团队在锂离子电容器负极预嵌锂技术方面取得重要进展,相关研究结果发表于材料类顶级期刊Energy
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Materials,并申请了国家发明专利。锂离子电容器是一种介于超级电容器和锂离子电池之间的新型储能器件,具有高能量密度、高功率密度、可快速充放电、长循环寿命和安全性能好等优点,在轨道交通、电动汽车、新能源发电、航空航天和国防军事等领域有着广泛的应用前景。负极预嵌锂是制备高性能锂离子电容器的关键技术之一。研究创新性提出了以高比容量Li3N作为锂离子电容器的预嵌锂剂,首次采用干法工艺制备出活性炭与Li3N复合正极,与软碳材料负极组装成软包装锂离子电容器。Li3N在首周充电后完全分解为Li+和N2,Li+进入负极完成预嵌锂过程,N2通过二次封口工艺排除,不残留非电化学活性物质。基于电极材料的能量密度达到74.7Wh/kg,功率密度达到12.9kW/kg,且循环10000周后容量保持率为91%。该方法操作工艺简单、效率高,易于实现锂离子电容器的规模化制备。研究团队近年来在锂离子电容器规模化制备以及应用示范方面开展了大量的研究工作,取得了一系列的研究成果。在11月举办的2019超级电容产业年会上,其研究成果我国自主研发的全碳型锂离子超级电容器实现装车示范运行被中国超级电容产业联盟评选为2019中国超级电容产业十大事件之一。相关论文信息:预嵌锂过程示意图

利用Li3VO4材料制成的锂离子电容器如下图所示,正极为活性炭、负极为Li3VO4材料。该电容器的工作电压最大可达4.2V,将充电电压从3.0V提高到4.0V,该电容器的比能量可以从25.5Wh/kg提高到120.2Wh/kg,能量密度提升高达470%。

Li3VO4材料的嵌锂反应方程式如下图所示,在循环伏安测试中还原电流峰分别出现在了0.73V和0.53V,氧化电流峰分别出现了0.76V和1.34V。值得注意的是,除了首次循环,其他几次循环的曲线都完全重叠。

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