电池型电容器技术发展趋势展望

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22115

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (5): 748-759.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22115

电池型电容器技术发展趋势展望

魏少鑫, 金鹰, 王瑾, 杨周飞, 崔超婕, 骞伟中

清华大学化学工程系，北京市海淀区 100084

收稿日期:2022-07-01 出版日期:2022-10-31 发布日期:2022-11-04
作者简介:魏少鑫(1998)，男，硕士研究生，研究方向为三维泡沫铝基高功率电池型电容器技术的开发，weisx20@mails.tsinghua.edu.cn；
金鹰(1968)，男，博士，高级经济师，研究方向为聚酰亚胺膜材料领域；
王瑾(1992)，女，助理工程师，研究方向为三维泡沫铝的控制制备及其电化学储能应用；
杨周飞(1993)，男，博士，研究方向为三维泡沫铝的控制制备与强化机制，以及高功率锂离子电池技术的开发；
崔超婕(1987)，女，博士，助理研究员，研究方向为碳材料及其在储能与环保领域的应用，cuicj06@tsinghua.edu.cn；
骞伟中(1971)，男，博士，教授，研究方向为碳材料及复合材料制备、储能与环境处理应用，新型煤化工催化剂及其产业化，多相流反应器技术，本文通信作者，qianwz@tsinghua.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(22109085);江苏省科技成果转化专项基金项目(BA2020058)

Prospect for Development Trend of Battery-Capacitor Technology

Shaoxin WEI, Ying JIN, Jin WANG, Zhoufei YANG, Chaojie CUI, Weizhong QIAN

Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China

Received:2022-07-01 Published:2022-10-31 Online:2022-11-04
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(22109085);Jiangsu Special Foundations for Science & Technology Transformation(BA2020058)

摘要/Abstract

摘要：

发展可再生能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的最重要保障之一。然而，太阳能、风能等新能源出力的不稳定性对储能器件的能量特性和功率特性都提出了更高要求。首先，对传统锂离子电池和超级电容器的技术特征进行论述，提出在新的电网储能要求下发展电池型电容器技术的必要性。然后，从正极材料的改进、负极材料的改进，以及极片结构、集流体与极耳的革新3个方面，详细讨论了电池型电容器关键材料的技术发展方向。最后，提出储能器件的三大核心要素及其“二合一”或“三合一”效应的搭配，以满足对成本、安全性、功率特性和能量特性的多样化需求，并对电池型电容器的发展趋势进行了展望。

关键词: 可再生能源, 储能, 电池型电容器, 锂离子电池, 超级电容器, 三维集流体, 泡沫铝

Abstract:

The development of renewable energy is one of the most important guarantees to achieve carbon peak and carbon neutrality. However, the instability of solar energy, wind energy and other new energy sources has shown higher requirements on energy characteristic and power characteristic of energy storage devices. This paper firstly discussed the technical characteristics of traditional lithium-ion batteries and supercapacitors, and put forward the necessity of developing battery-capacitors technology under the new grid energy storage requirements. Then, the technical development trend of key materials for battery-capacitors was discussed in detail from three aspects: the improvement of cathode materials, improvement of anode materials, and innovation of electrode sheet structures, current collectors and electrode tabs. Finally, the three key elements of energy storage devices and their “two-in-one” or “three-in-one” effects were proposed to meet the diversified demands of cost, safety, power characteristic and energy characteristic, and the development trend of battery-capacitors was prospected.

Key words: renewable energy, energy storage, battery-capacitors, lithium-ion batteries, supercapacitors, three-dimensional current collectors, aluminium foam

中图分类号:

TK 02

魏少鑫, 金鹰, 王瑾, 杨周飞, 崔超婕, 骞伟中. 电池型电容器技术发展趋势展望[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 748-759.

Shaoxin WEI, Ying JIN, Jin WANG, Zhoufei YANG, Chaojie CUI, Weizhong QIAN. Prospect for Development Trend of Battery-Capacitor Technology[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(5): 748-759.

图/表 11

图1 超级电容器与锂离子电池的特性及应用场景分析

Fig. 1 Characteristic and application scenario analysis of supercapacitors and lithium-ion batteries

图2 碳纳米管强化的磷酸铁锂纳米颗粒

Fig. 2 CNTs enhanced LFP-NPs

图3 碳包覆前后磷酸铁锂正极材料的容量对比

Fig. 3 Capacity comparison of LiFePO4 cathode materials before and after carbon coating

图4 “核壳结构”超细纳米磷酸铁锂/石墨碳复合物在1 C倍率下的充放电曲线

Fig. 4 Charge and discharge curves of ultrafine nano-LiFePO4/graphitic carbon composite with core-shell structure at 1 C rate

图5 单晶和多晶三元材料的对比

Fig. 5 Comparison of single-crystal and polycrystal ternary materials

图6 含有磷酸铁锂和活性炭的复合电极结构示意图

Fig. 6 Schematic diagram of composite electrode structure containing LiFePO4 and activated carbon

图7 随机型、单梯度型(孔隙率)和双梯度型(颗粒尺寸与孔隙率)电极的理论模拟结果

Fig. 7 Theoretical simulation results of random, single-gradient (porosity) and dual-gradient (particle size and porosity) electrodes

图8 人造石墨、硬碳和中间相炭微球的倍率性能对比

Fig. 8 Comparison of rate performance of artificial graphite, hard carbon and mesocarbon microbeads

图9 三维泡沫铝电极与二维铝箔电极的对比

Fig. 9 Comparison of three-dimensional Al foam electrode and two-dimensional Al foil electrode

图10 基于先进材料的储能器件构筑示意图

Fig. 10 Schematic diagram of energy storage device based on advanced materials

表1 目前已报道的电池型电容器性能对比

Tab. 1 Performance comparison of ever-reported battery-capacitors

活性物组成(正极//负极)	比容量/(mA⋅h/g)	能量密度/(W⋅h/kg)	功率密度/(kW/kg)	循环寿命	参考文献
75%LFP+5%AC//Li	142~70^P	—	—	400圈后保持100%	[36]
25%NCM+75%AC//HC^L	55~27^P	75.6~28.5^T	0.041 7~6.9^T	20 000圈后保持98%	[38]
30%LMO+45%AC//LTO	—	16.47^T	4 C	5 000圈后保持92%	[45]
65%LFP+20%AC//Li	110~20^P	—	—	500圈后保持98%	[46]
75%NCM+25%AC//Graphite	83.5~35.2^P	294~50^P	0.1~23^P	1 000圈后保持95%	[47]
67%NCM+33%AC//SC^L	92.9~60.9^P	173.3~92.4^T	0.2 C~7.73^T	10 000圈后保持80%	[48]
30%LFP+70%AC//MCMB	25.2~18.4^T	69.02^T	4 C	100圈后保持100%	[49]
80%LFP+20%AC//LTO	96.8~57.2^P	—	—	500圈后保持93%	[50]
20%LFP+80%AC//HC^L	58.4~30^P	30~5.7^F	0.005~2^F	30 000圈后保持90%	[51]
40%NCM+60%AC//HC^L	—	30~3.0^F	0.01~5^F	40 000圈后保持92%	[52]
30%LFP+70%AC//HC^L	75~30^P	90~30^T	0.03~3^T	62 000圈后保持80%	[53]
80%LMO+5%AC//80%LTO+5%AC	56.4~40.7^T	60~30^F	0.005~2.5^F	2 000圈后保持77.5%	[54]
77%NCM+3%CA//Li	163.8~126.8^P	—	—	300圈后保持72.79%	[55]

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电池型电容器技术发展趋势展望

Prospect for Development Trend of Battery-Capacitor Technology

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