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摘 要 由于技術(shù)原理不同，高功率儲(chǔ)能器件在能量密度、功率特性和持續(xù)釋能時(shí)間等方面差異較大，發(fā)展水平不一，所適用場(chǎng)景也不同。目前缺乏以單一技術(shù)特點(diǎn)為主線對(duì)典型高功率儲(chǔ)能器件進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，使不同受用者對(duì)高功率儲(chǔ)能器件有更加清晰的了解。本文概述了不同高功率儲(chǔ)能器件的原理及適用場(chǎng)景，并從能量密度、功率密度、高功率特性等方面對(duì)各類高功率器件進(jìn)行對(duì)比；重點(diǎn)以持續(xù)釋能時(shí)間為軸線，對(duì)高功率儲(chǔ)能器件水平現(xiàn)狀進(jìn)行分類論述，并對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)討論；最后，對(duì)高功率儲(chǔ)能器件的發(fā)展作出展望。
關(guān)鍵詞 高功率儲(chǔ)能器件；金屬薄膜電容器；飛輪儲(chǔ)能；雙電層電容器；鋰離子電容器；鋰離子電池
隨著飛機(jī)、船舶、電動(dòng)汽車等技術(shù)不斷提高，其所配備的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求也不斷提高。其中典型需求就是快速存儲(chǔ)和釋放能量的能力，因此需使用高功率儲(chǔ)能器件以滿足大功率充放電需求。高功率儲(chǔ)能器件具有較高的功率密度，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速充放電，并且兼具較長(zhǎng)的使用壽命和較低的維護(hù)成本的特點(diǎn)，通常應(yīng)用于快速存儲(chǔ)和釋放大體量能量的場(chǎng)景，比如供電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)中。
目前技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的高功率儲(chǔ)能器件主要有金屬薄膜電容器、飛輪、雙電層電容器、鋰離子電容器、高功率鋰二次電池等，各類高功率儲(chǔ)能器件性能特點(diǎn)不盡相同，應(yīng)用場(chǎng)景也存在明顯差異。金屬薄膜電容器比功率可達(dá)175 MW/kg，但其能量密度較低，持續(xù)釋能時(shí)間短，適用于對(duì)穩(wěn)定性、可靠性要求較高的場(chǎng)合，在風(fēng)電光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯；飛輪儲(chǔ)能比功率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但同樣能量密度較低，適合UPS、電力調(diào)頻、制動(dòng)能量循環(huán)利用等領(lǐng)域；雙電層電容器擁有較高的比功率，但其儲(chǔ)能密度較低，適合秒級(jí)的供電使用，是目前市場(chǎng)上最為主流的高功率儲(chǔ)能產(chǎn)品；而鋰離子電容器結(jié)合了超級(jí)電容器和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)，能量密度得到極大提高，適合分鐘級(jí)的供電需求。功率型鋰離子電池的比功率約為2.5 kW/kg、比能量約為200 Wh/kg，其儲(chǔ)能密度高、但功率密度較低，適合小時(shí)級(jí)應(yīng)用需求，成為應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)電源之一。
圖1 高功率儲(chǔ)能器件的成品以及應(yīng)用
綜上所述，各類高功率儲(chǔ)能器件在應(yīng)用時(shí)，因其技術(shù)原理不同，各類高功率器件的高功率性能差異明顯，所適用的場(chǎng)景也存在明顯差別，例如金屬薄膜電容器件功率高，可適用于風(fēng)電光伏、儲(chǔ)能領(lǐng)域；而高功率鋰二次電池則適用于航空航天、電動(dòng)汽車領(lǐng)域。針對(duì)高功率儲(chǔ)能器件的應(yīng)用需求，本文從高功率儲(chǔ)能器件的技術(shù)原理及特點(diǎn)、水平現(xiàn)狀等方面對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，著重介紹了不同類型高功率儲(chǔ)能器件的技術(shù)路線，并結(jié)合高功率型儲(chǔ)能器件的市場(chǎng)化需求對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)討論，為后續(xù)高功率儲(chǔ)能器件應(yīng)用提供技術(shù)參考。
1 典型高功率儲(chǔ)能器件技術(shù)特點(diǎn)
1.1 金屬薄膜電容器
金屬薄膜電容器是一種以有機(jī)塑料薄膜為介質(zhì)(厚度一般不超過15 μm)，在介質(zhì)表面真空蒸鍍一層導(dǎo)電金屬層作為電極(厚度一般小于100 nm)，以卷繞方式制成的電容器。金屬薄膜電容器主要特點(diǎn)是高抗電強(qiáng)度(1～50 kV)，可實(shí)現(xiàn)微秒至毫秒內(nèi)超高脈沖功率(MW～GW級(jí))輸出，在電容量穩(wěn)定性、體積、成本和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
1.2 飛輪儲(chǔ)能
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)。它利用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子升速儲(chǔ)能，變電能為機(jī)械能，飛輪轉(zhuǎn)子拖動(dòng)發(fā)電機(jī)降速發(fā)電，變機(jī)械能為電能。通過電能-機(jī)械能的雙向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了大體量能量在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化。與其他儲(chǔ)能方式相比，飛輪儲(chǔ)能的電機(jī)效率可達(dá)85%以上，能量密度為10～30 Wh/kg，功率密度大于9 kW/kg，按照特性可將其分為飛輪儲(chǔ)能脈沖電源和常規(guī)飛輪儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能脈沖電源可實(shí)現(xiàn)毫秒內(nèi)兆瓦至吉瓦能量的快速輸出，而常規(guī)飛輪儲(chǔ)能則可實(shí)現(xiàn)在秒至分鐘時(shí)間內(nèi)百千瓦至兆瓦的輸出，在高功率特性和環(huán)保性上都具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。
1.3 超級(jí)電容器
超級(jí)電容器是近年來廣受關(guān)注的一種新型儲(chǔ)能器件，其兼具二次電池和靜電電容器的雙重特性，被認(rèn)為是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的儲(chǔ)能電源，目前超級(jí)電容器已經(jīng)成為一大類儲(chǔ)能器件的總稱，按照儲(chǔ)能機(jī)理不同，可以分為雙電層電容器、氧化還原電容器以及混合型電容器(鋰離子電容器)。氧化還原電容器目前主要集中在技術(shù)開發(fā)階段，未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。而雙電層電容器和鋰離子電容器作為高功率儲(chǔ)能器件已實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。在此對(duì)雙電層電容器以及鋰離子電容器進(jìn)行介紹，并根據(jù)其相應(yīng)釋能時(shí)間對(duì)其水平現(xiàn)狀進(jìn)行分類敘述。
1.3.1 雙電層電容器
雙電層電容器通過電解質(zhì)離子的吸附和脫附來實(shí)現(xiàn)能量迅速儲(chǔ)存與釋放，應(yīng)用最為廣泛的電極材料是以活性炭為代表的各種碳材料。雙電層電容器具備很高的功率密度(≥25 kW/kg)和循環(huán)壽命(＞500000次)，但其能量密度較低(僅為8~10 Wh/kg)。輸出功率可達(dá)百千瓦至兆瓦，適合毫秒至秒級(jí)的高功率使用需求，是目前市場(chǎng)上最為主流的電容器產(chǎn)品。
1.3.2 鋰離子電容器
鋰離子電容器同時(shí)具備雙電層電容器和鋰離子電池兩種性質(zhì)，是一種正負(fù)極反應(yīng)原理不同的非對(duì)稱電容器。通常情況下，正極采用電容型正極材料，通過物理作用充放電，而負(fù)極采用可吸附鋰離子的碳系材料，通過鋰的氧化還原反應(yīng)充放電。鋰離子電容器具有能量密度高(60～90 Wh/kg)、功率密度高(≥20 kW/kg)、快速充放電能力強(qiáng)(長(zhǎng)期5 C，短期20 C)的優(yōu)勢(shì)，其循環(huán)壽命在50000次以上，適合分鐘級(jí)百千瓦至兆瓦功率的使用需求，極大地拓展了電容器的應(yīng)用場(chǎng)景。
1.4 高功率鋰離子電池
鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液等構(gòu)成。常規(guī)的鋰離子電池能量密度較高(可達(dá)300 Wh/kg)，但由于受電池內(nèi)阻和極化的影響，電池在高功率條件下電壓衰降很快，不能有效發(fā)揮其儲(chǔ)能作用。目前高功率鋰離子電池能量密度約為100 Wh/kg，功率密度>2.5 kW/kg，可在小時(shí)內(nèi)快速持續(xù)輸出千瓦至兆瓦級(jí)的能量。其中，磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等材料憑借高能量密度、低成本、穩(wěn)定的充放電平臺(tái)、環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)勢(shì)，成為高功率鋰離子電池的首選材料。各類高功率儲(chǔ)能器件特性參數(shù)如表1所示。
表1 各類高功率儲(chǔ)能器件特性參數(shù)
2 高功率儲(chǔ)能器件水平現(xiàn)狀
本文以持續(xù)釋能時(shí)間為軸線，將典型高功率儲(chǔ)能器件分為四類，即以金屬薄膜電容器為代表的微秒級(jí)至毫秒級(jí)高功率儲(chǔ)能器件；以飛輪儲(chǔ)能脈沖電源和雙電層電容器為代表的毫秒至秒級(jí)高功率儲(chǔ)能器件；以常規(guī)飛輪儲(chǔ)能和鋰離子電容器為代表的分鐘級(jí)高功率儲(chǔ)能器件；以高功率鋰離子電池為代表的分鐘級(jí)至小時(shí)級(jí)高功率儲(chǔ)能器件，并對(duì)這些高功率儲(chǔ)能器件水平現(xiàn)狀和目前存在的問題進(jìn)行綜述。所列舉的典型高功率儲(chǔ)能器件的性能參數(shù)對(duì)比見圖2。
圖2 各高功率儲(chǔ)能器件性能對(duì)比
2.1 微秒至毫秒級(jí)儲(chǔ)能器件——金屬薄膜電容器
早在2004年，德國(guó)脈沖功率中心Rheinmetal和Vishay研發(fā)了兩種高儲(chǔ)能密度電容器，一種是具有中等載流能力、儲(chǔ)能密度為2 J/cm3的高儲(chǔ)能密度電容器；另一種是具有大載流能力、儲(chǔ)能密度為1.7 J/cm3的高儲(chǔ)能密度電容器。隨著介質(zhì)材料能量密度的提高，器件和模組放電效率和穩(wěn)定性的提升，金屬薄膜電容器的儲(chǔ)能密度、壽命和可靠性等也得到明顯的提高。金屬薄膜電容器廣泛應(yīng)用于電力電容器、UPS等領(lǐng)域。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，金屬薄膜電容器的應(yīng)用也逐漸擴(kuò)展到風(fēng)電、太陽能發(fā)電、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。
圖3 (a) 金屬薄膜電容器的結(jié)構(gòu)；(b) 金屬薄膜電容器的X射線照片；(c) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)(左)，傳統(tǒng)電極設(shè)計(jì)(右)
美國(guó)GA公司在多方合作下，其金屬薄膜電容器技術(shù)在十年里得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。其儲(chǔ)能密度從1999年的0.7 J/cm3提高到2010年的3 J/cm3，并計(jì)劃在未來達(dá)到10.0 J/cm3的水平，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。該公司現(xiàn)有的高儲(chǔ)能密度電容器(CMX型)有三種，分別為50 kJ、100 kJ和255 kJ型，其儲(chǔ)能密度為2.4~2.7 J/cm3不等，容量分別為2310 μF、4600 μF和4600 μF，充放電壽命在1000次左右。另外GA公司最新產(chǎn)品儲(chǔ)能密度為2 J/cm3，能量為255 kJ，質(zhì)量為140 kg，充放電壽命可達(dá)5萬次。
國(guó)內(nèi)高儲(chǔ)能密度金屬薄膜電容器，儲(chǔ)能密度只能達(dá)到2.5 J/cm3左右，當(dāng)電容器在儲(chǔ)能密度2.5 J/cm3以上工作時(shí)，電容器使用壽命較短，且重頻特性差。
目前，國(guó)內(nèi)金屬薄膜電容器技術(shù)水平與國(guó)外相比差距較大，主要體現(xiàn)在：①國(guó)內(nèi)高性能金屬薄膜電容器產(chǎn)品大多選用進(jìn)口的聚丙烯薄膜，存在自主可控問題；②金屬薄膜電容器加工工藝和設(shè)備條件較差，這些設(shè)備中，關(guān)鍵設(shè)備(如拉膜設(shè)備、鍍膜設(shè)備、薄膜分切設(shè)備、卷繞設(shè)備等)大量依賴進(jìn)口；③儲(chǔ)能密度低、體積和重量過大。國(guó)內(nèi)在研實(shí)用化樣機(jī)為2.5 J/cm3，在研樣機(jī)達(dá)到4.0 J/cm3，國(guó)外在用產(chǎn)品在“十三五”初期為3.0 J/cm3，在研原理樣機(jī)達(dá)到10 J/cm3左右。
2.2 毫秒至秒級(jí)儲(chǔ)能器件——飛輪儲(chǔ)能脈沖電源、雙電層電容器
可實(shí)現(xiàn)毫秒至秒級(jí)供電的器件主要為飛輪儲(chǔ)能脈沖電源和雙電層電容器。
2.2.1 功率型飛輪儲(chǔ)能
早在20世紀(jì)50年代，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)就被提出可以運(yùn)用于汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中。起初飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著高強(qiáng)度復(fù)合材料的應(yīng)用、電力電子技術(shù)的發(fā)展、新型高性能電機(jī)的發(fā)展以及磁懸浮軸承技術(shù)的不斷進(jìn)步，儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注。
國(guó)外在補(bǔ)償脈沖交流發(fā)電機(jī)(compensated pulsed alternator，CPA)和磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)等方面開展研究較早，并分別取得了一系列工程上的突破。CPA第一臺(tái)樣機(jī)于1980年誕生于德克薩斯綜合大學(xué)電機(jī)研究實(shí)驗(yàn)中心(UT-CEM)，其轉(zhuǎn)速范圍2450～4840 r/min，先后對(duì)并聯(lián)氙氣閃光燈負(fù)載成功地進(jìn)行13次放電，以4800 r/min，向負(fù)載發(fā)出了峰值電流30.2 kA，脈寬1.3 ms、能量139.3 kJ的單個(gè)電流脈沖。20世紀(jì)90年代，美國(guó)NASA對(duì)應(yīng)用于空間站的姿態(tài)控制及儲(chǔ)能集成一體飛輪開展了大量研究 。其研究的樣機(jī)G1轉(zhuǎn)速達(dá)到了60000 r/min，G2飛輪儲(chǔ)能模塊最大轉(zhuǎn)速達(dá)到71900 r/min。該中心正致力于轉(zhuǎn)子邊緣線速度達(dá)1100 m/s，儲(chǔ)能密度(比能量)25 Wh/kg的G3模塊的研究。1998年美國(guó)對(duì)用于關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的縮比模型脈沖發(fā)電機(jī)進(jìn)行了演示試驗(yàn)。該樣機(jī)在轉(zhuǎn)速12000 r/min下，輸出峰值電流900 kA，脈沖寬度為4 ms，脈沖功率等級(jí)超過2 GW。此外，美國(guó)馬里蘭大學(xué)、勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、休斯頓大學(xué)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)UT-CEM、美國(guó)理想能源公司、美國(guó)波音公司等開展了飛輪材料的開發(fā)，推動(dòng)了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。
圖4 (a) 波音100 kW / 5 kWh UPS飛輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(b) 復(fù)合材料飛輪結(jié)構(gòu)；(c) NASA的G2模塊飛輪；(d) 250 kW/25kWh 金屬飛輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)
國(guó)內(nèi)對(duì)于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)較晚，對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)注始于20世紀(jì)80年代，到90年代才開始關(guān)鍵技術(shù)的研究。起步階段，國(guó)內(nèi)研發(fā)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)容量普遍較小，轉(zhuǎn)速最高為43800 r/min，儲(chǔ)能量不足1 kWh。2010年以后，國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的磁懸浮技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)，進(jìn)一步提高了飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能量，功率也有較大的提升。
目前飛輪儲(chǔ)能體積和重量仍是限制其應(yīng)用的主要原因。盡管復(fù)合材料飛輪的理論儲(chǔ)能密度高達(dá)200～400 Wh/kg，但考慮到制造工藝、軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)等復(fù)雜制約因素，在實(shí)驗(yàn)或工程中，安全穩(wěn)定運(yùn)行的復(fù)合材料飛輪的儲(chǔ)能密度通常不高于100 Wh/kg。文獻(xiàn)調(diào)研表明，單個(gè)復(fù)合材料飛輪總設(shè)計(jì)儲(chǔ)能能量0.3～130 kWh。國(guó)內(nèi)理論設(shè)計(jì)研究水平與國(guó)外相近，但在實(shí)驗(yàn)研究方面，差距較大，離工程化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
2.2.2 雙電層電容器
作為一種新型儲(chǔ)能器件，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的性能空白，現(xiàn)在已經(jīng)成為動(dòng)力電源和電子元器件中不可或缺的部件之一。目前，雙電層電容器產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)外都處于快速發(fā)展期，得到了眾多投資機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視，為其發(fā)展提供了豐厚的資金支持和寬廣的發(fā)展空間。
20世紀(jì)70年代末，日本NEC和Panasonic等公司先后推出了商業(yè)化的雙電層電容器產(chǎn)品，主要用于電子電路和電氣設(shè)備等。90年代起，雙電層電容器的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向高能量型和大功率型產(chǎn)品。Maxwell公司生產(chǎn)的3000F雙層電容器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外大容量雙層電容器的設(shè)計(jì)模板，在電容器市場(chǎng)居于開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者地位。日本Chemi-con公司也是主要的雙電層電容器生產(chǎn)企業(yè)之一，產(chǎn)品主要集中于大容量雙電層電容器，具有較高的技術(shù)水平。其所使用的電解液體系(PC系電解液)與國(guó)際主流(AN系電解液)不同，因此日本Chemi-con公司大容量雙電層電容器在日本以外的市場(chǎng)并不多見。在高比功率特性超級(jí)電容研發(fā)方面，烏克蘭Yuansko公司通過正負(fù)極非對(duì)稱設(shè)計(jì)、高耐壓高電導(dǎo)率電解液設(shè)計(jì)、高功率電極制造技術(shù)等，將時(shí)間常數(shù)降低到0.2 s左右。其產(chǎn)品比功率已達(dá)到78 kW/kg(計(jì)算值)，主要應(yīng)用方向?yàn)槊}沖電源。
國(guó)內(nèi)至20世紀(jì)90年代中期，小容量型雙電層電容器實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，到了20世紀(jì)90年代末期，雙電層電容器產(chǎn)業(yè)開始加速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批電容器企業(yè)。烯晶碳能電子科技依托干法電極技術(shù)，低阻結(jié)構(gòu)技術(shù)，主推3 V產(chǎn)品，其技術(shù)水平較高。中車新能源研發(fā)的低內(nèi)阻、大功率雙層電容器已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)。
目前雙電層電容器雖然功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，但能量密度較低。主要由于電解液多采用水系與有機(jī)體系，水的低分解電壓(1.23 V)極大限制了電容器能量密度，而有機(jī)電解液的離子電導(dǎo)率要低得多，內(nèi)阻更大，限制了其功率密度。
圖5 典型高功率儲(chǔ)能器件及充放電曲線：(a) Maxwell公司生產(chǎn)的3000F雙層電容器；(b) FDK公司開發(fā)的 “EneCapTen”；(c) 東芝和SAFT的高功率鋰離子電池
2.3 秒級(jí)至分鐘儲(chǔ)能器件——常規(guī)儲(chǔ)能飛輪、鋰離子電容器
可實(shí)現(xiàn)秒至分鐘級(jí)供電的器件主要為常規(guī)儲(chǔ)能飛輪和鋰離子電容器。
2.3.1 能量型飛輪儲(chǔ)能
隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化階段，應(yīng)用場(chǎng)景主要為車用、UPS不間斷電源等。為了滿足電網(wǎng)領(lǐng)域調(diào)峰調(diào)頻的需求，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、功率和儲(chǔ)能量均有了較大的提升。美國(guó)的Beacon Power公司研制一系列飛輪儲(chǔ)能系列產(chǎn)品。其系列產(chǎn)品的額定功率為5~250 kW、最高工作轉(zhuǎn)速為30000 r/min、最高線速度為700 m/s、滿功率運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可從15 s到4 min。通過將多臺(tái)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單機(jī)組合成20 MW的飛輪儲(chǔ)能電站，應(yīng)用于電網(wǎng)電調(diào)頻。美國(guó)的得州大學(xué)奧斯汀機(jī)電中心在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)方面也開展了大量的研究。其為聯(lián)邦鐵路局研制的用于高級(jí)火車頭推進(jìn)系統(tǒng)的大型磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)15000 r/min，儲(chǔ)能達(dá)480 MJ，可以2 MW的功率放電，為高鐵機(jī)車頭提供不間斷動(dòng)力。國(guó)內(nèi)方面，沈陽微控開發(fā)的REGEN系列產(chǎn)品專門針對(duì)城市軌道交通場(chǎng)景，可在15 s內(nèi)完全充/放電，每天可循環(huán)1000次，壽命可達(dá)20年。奇峰聚能開發(fā)的飛輪，儲(chǔ)能量20 kWh，充電效率可達(dá)92%，放電時(shí)間達(dá)到180 s，循環(huán)次數(shù)可超過1000萬次。
2.3.2 鋰離子電容器
鋰離子電容器的比能量和比功率主要取決于其所使用的電極材料，因此，探尋高性能的電極材料，是推進(jìn)鋰離子電容器應(yīng)用的關(guān)鍵。在鋰離子電容器領(lǐng)域，技術(shù)路線較多，主要包括正極錳酸鋰/負(fù)極活性炭(AC)、正極(AC)/負(fù)極LTO、正極AC/負(fù)極石墨、正極AC/負(fù)極材料硬碳(HC)的體系等?，F(xiàn)階段性能最突出、產(chǎn)業(yè)化程度最高的是以AC/HC為體系的鋰離子電容器。目前鋰離子電容器研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主要集中在日本、韓國(guó)等國(guó)家。日本太陽誘電公司開發(fā)的鋰離子電容器，30秒鐘就能完成充電。FDK公司開發(fā)的耐高溫鋰離子電容器“EneCapTen”，在60 ℃高溫下的最大電壓為3.6 V，使用超過4000小時(shí)，容量也幾乎不會(huì)下降，同時(shí)改善了自放電特性，4000小時(shí)電壓也幾乎不會(huì)下降。NEC東金公司發(fā)布了靜電容量達(dá)1000 F的試制品。日立化成公司開發(fā)出靜電容量達(dá)900 F、直徑為40 mm的圓柱形電容器。日本JM Energy公司和太陽誘電公司的鋰離子電容器均已建成多條生產(chǎn)線，產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)鋰離子電容器技術(shù)起步較晚。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所開發(fā)的鋰離子電容器單體，容量可達(dá)780 F，在100 C的高倍率下循環(huán)10萬次，容量保持率在95.7%以上。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋰離子電容器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。南通江海技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)品已應(yīng)用在軌道交通、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。上海奧威生產(chǎn)的高比能量混合型電容器已經(jīng)應(yīng)用于純電動(dòng)公交車、軌道交通方面。
目前鋰離子電容器主要面臨隔膜材料依賴進(jìn)口，成本難以控制的問題，由于隔膜生產(chǎn)難度大，對(duì)技術(shù)和設(shè)備要求高，目前世界范圍內(nèi)鋰離子電容器紙隔膜主要以進(jìn)口日本NKK隔膜產(chǎn)品為主。
2.4 分鐘至小時(shí)級(jí)儲(chǔ)能器件——高功率鋰離子電池
磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等材料憑借高能量密度、低成本、穩(wěn)定的充放電平臺(tái)、環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)勢(shì)，成為高功率鋰離子電池的首選材料。
鈦酸鋰電池是一種用鈦酸鋰材料作負(fù)極的鋰離子電池，可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4 V或1.9 V的鋰離子二次電池。鈦酸鋰電池具有寬溫性能良好、安全穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、快充性能優(yōu)異等特點(diǎn)。
國(guó)際上鈦酸鋰電池的開發(fā)方面，日本東芝公司領(lǐng)先全球。東芝SCiB鈦酸鋰電池在滿足容量大、能量密度高需求的同時(shí)，還具有安全性高、壽命長(zhǎng)、低溫性能好、有效SOC范圍大、快速充電、高輸入輸出功率等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于船舶、電動(dòng)汽車、固定式/工業(yè)用電池等場(chǎng)景。在較為常用的20 Ah電池領(lǐng)域，東芝現(xiàn)有20 Ah鈦酸鋰電池，能量密度達(dá)到89 Wh/kg，可實(shí)現(xiàn)約20 C放電，25 C充電。新發(fā)布的20Ah-HP電池，充放電倍率可提高至40 C，但能量密度有所降低，為84 Wh/kg。
目前國(guó)內(nèi)主要高功率鈦酸鋰電池產(chǎn)品有珠海銀隆的LTO88200-235F/28Ah、奧鈦納米70Ah-CELL、湖州微宏動(dòng)力的LTO-10Ah、盟固利的高鐵電池、四川國(guó)創(chuàng)成的LTT-90。其中，國(guó)創(chuàng)成生產(chǎn)的鈦酸鋰電池，能量密度為90 Wh/kg，持續(xù)放電倍率高達(dá)30 C，性能較為優(yōu)異。珠海銀隆、奧鈦納米、微宏動(dòng)力、盟固利等公司在民用設(shè)備如公交車、高鐵等儲(chǔ)能系統(tǒng)上，擁有自身的優(yōu)勢(shì)。
磷酸鐵鋰由于其穩(wěn)定性好、能量密度高成為應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池正極材料之一。日本三井造船生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池可實(shí)現(xiàn)30 C倍率放電，15 C充電，在10 C充放電條件下循環(huán)500次，容量保持90%以上；法國(guó)的SAFT和美國(guó)A123公司的磷酸鐵鋰電池，脈沖倍率均可高達(dá)100 C，SAFT公司的功率型電池開發(fā)處于領(lǐng)先水平，其2018年公布的電池比功率已經(jīng)可以達(dá)到5000 W/kg以上。
目前國(guó)內(nèi)從事磷酸鐵鋰離子電池研制的單位近百家，主要包括比亞迪、寧德時(shí)代、力神、比克、合肥國(guó)軒、中航鋰電、杭州萬向等。這些企業(yè)制造的功率型和能量型磷酸鐵鋰離子電池主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車市場(chǎng)，比能量為90~120 Wh/kg，比功率從2000 W/kg 發(fā)展到4000 W/kg。
鈦酸鋰離子電池作為新興的高功率鋰離子電池類型，其發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛。但鈦酸鋰性能已逼近理論極限，未來此型鋰電池的功率、能量密度等核心性能指標(biāo)“難提升”。在儲(chǔ)能系統(tǒng)集成度短時(shí)間內(nèi)難以大幅度增加的情況下，鈦酸鋰電池較難滿足未來需求。磷酸鐵鋰材料的不足主要體現(xiàn)在導(dǎo)電性差，鋰離子擴(kuò)散速度慢，振實(shí)密度較低，影響了用其制作的電池體積比能量的提升。磷酸鐵鋰的低溫性能較差，低溫容量保持率低。
3 發(fā)展趨勢(shì)
3.1 金屬薄膜電容器
國(guó)內(nèi)需要加大高儲(chǔ)能密度金屬薄膜電容器領(lǐng)域技術(shù)攻關(guān)，開展更高儲(chǔ)能密度薄膜電容器技術(shù)攻關(guān)和探索研究，縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。主要包括以下方面：①提高介質(zhì)材料的介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度，降低介質(zhì)材料的損耗角正切和厚度，增加薄膜電容器的面積，以達(dá)到更高的電容量；②提高介質(zhì)材料的擊穿強(qiáng)度和均勻性，降低介質(zhì)材料的厚度和缺陷密度，以達(dá)到更高的工作電壓；③提高薄膜電容器的電容量和工作電壓，降低薄膜電容器的體積和重量，以達(dá)到更高的能量密度；④提高薄膜電容器的充放電速度和效率，降低薄膜電容器的內(nèi)阻和損耗，以達(dá)到更高的功率密度。
3.2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)
高能量密度、高功率密度、小型化、輕量化、低成本是飛輪系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，針對(duì)上述目標(biāo)，飛輪技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下方面：①為實(shí)現(xiàn)高比能量要求，飛輪體材料需發(fā)展高比強(qiáng)度復(fù)合材料技術(shù)、軸承支承系統(tǒng)也需采用高效磁軸承支承技術(shù)，除了使用多環(huán)組外，還設(shè)計(jì)了混雜材料、梯度材料和纖維預(yù)張緊纖維纏繞來提高儲(chǔ)能密度。二維或三維強(qiáng)化是復(fù)合飛輪材料設(shè)計(jì)的另一個(gè)途徑；②針對(duì)超高功率能量需求，需發(fā)展高速磁通壓縮-補(bǔ)償屏蔽工作機(jī)制的電機(jī)技術(shù)，以提高功率密度；③為應(yīng)對(duì)高安全和長(zhǎng)壽命的應(yīng)用需求，要求飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高的安全性和可靠性，同時(shí)放電次數(shù)達(dá)到100000次以上且深度放電無衰減。如何提高飛輪儲(chǔ)能單機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，優(yōu)化飛輪陣列的控制策略，是未來發(fā)展的重點(diǎn)；④由當(dāng)前單體集中應(yīng)用發(fā)展為多單元、陣列分布式應(yīng)用，提高布置的靈活性和可靠性。
3.3 雙電層電容器
根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，雙電層電容器的比能量目前一般在5~10 Wh/kg，比功率在5~10 kW/kg，工作電壓在2.5~3.5 V。為滿足未來需求，其技術(shù)發(fā)展方向主要包括以下幾個(gè)方面：①通過優(yōu)化電極材料、電解質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加雙電層電容器的儲(chǔ)能密度和功率密度；②通過改善制造工藝、增加保護(hù)措施和監(jiān)測(cè)手段，降低雙電層電容器的衰減速率和故障率；③通過開發(fā)新型的封裝形式、連接方式和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙電層電容器與其他元件或設(shè)備的有效配合和協(xié)調(diào)。
3.4 鋰離子電容器
目前，鋰離子電容器的能量密度一般在20~40 Wh/kg之間，功率密度一般在1~10 kW/kg，工作電壓一般在2.7~4.0 V，循環(huán)壽命一般在10萬~50萬次。為應(yīng)對(duì)未來需求，鋰離子電容器需要進(jìn)一步提高能量密度和功率密度。而鋰離子電容器比能量與比功率主要取決于電極材料高比容、高電壓、低內(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)。通過設(shè)計(jì)合成出高孔隙率高吸液性能紙隔膜材料、高比容碳基與正極新型活性材料復(fù)合電極和耐高壓高離子電導(dǎo)的新型電解液，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化材料改性技術(shù)并實(shí)現(xiàn)更高性能關(guān)鍵材料與鋰離子電容器的低成本量產(chǎn)將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。
3.5 鋰離子電池
高功率鈦酸鋰電池目前主要存在的問題是能量密度較低，低溫性能較差，這是由于鈦酸鋰材料的能量密度較低。因此發(fā)展新型電極材料體系，從理論上提升電池性能是解決鈦酸鋰電池性能不足的根本辦法，鈦鈮氧化物是目前最有希望能代替鈦酸鋰成為下一代安全型高功率電池的負(fù)極材料；而對(duì)于低溫性能下降的問題，需要通過隔膜、電極、電解液設(shè)計(jì)，提升電池倍率性能。
針對(duì)磷酸鐵鋰電池高功率性能的提升，通過解決制約磷酸鐵鋰離子電池倍率的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)高倍率磷酸鐵鋰電池。主要包括：①使用高電導(dǎo)的電極材料是改善鋰離子電池倍率放電的方法之一，石墨烯能夠改進(jìn)鋰離子電池正負(fù)極材料的電化學(xué)性能，進(jìn)而極大地改善鋰離子電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。②兼顧Li+快速遷移和寬溫特性的電解質(zhì)研究及應(yīng)用，保證電池在大電流下的穩(wěn)定和安全性。
4 總結(jié)與展望
高功率儲(chǔ)能器件憑借高功率和高能量特性在儲(chǔ)能系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。目前典型的高功率儲(chǔ)能器件包括金屬薄膜電容器、飛輪儲(chǔ)能、雙電層電容器、鋰離子電容器、高功率鋰離子電池等。本文對(duì)其技術(shù)原理、功率特性等方面進(jìn)行簡(jiǎn)述及對(duì)比，并以持續(xù)釋能時(shí)間為主線，介紹了當(dāng)前高功率儲(chǔ)能器件的水平現(xiàn)狀。
為了進(jìn)一步提升能量密度和功率密度，高功率儲(chǔ)能器件技術(shù)需從以下方面進(jìn)行提升：①國(guó)產(chǎn)材料、設(shè)備的自主可控性。例如，在雙電層電容器方面，活性炭材料、負(fù)極石墨/硬碳材料、隔膜等材料還依賴于進(jìn)口，亟待國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界補(bǔ)強(qiáng)；②突破傳統(tǒng)材料的性能極限，攻克關(guān)鍵材料的低成本量產(chǎn)技術(shù)，一些高功率儲(chǔ)能器件受限于材料，無法實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和功率密度，例如高功功率鈦酸鋰電池，需開發(fā)新的具有高容量和高功率的材料體系，實(shí)現(xiàn)能量密度和高功率特性的提高。此外，需要在理論上超越傳統(tǒng)的化學(xué)體系及反應(yīng)機(jī)理限制，超越傳統(tǒng)材料的范疇，是實(shí)現(xiàn)新型、高效儲(chǔ)能器件的可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。
隨著新能源、新行業(yè)的發(fā)展，高功率儲(chǔ)能器件具備廣闊的發(fā)展空間，在高端設(shè)備、民用裝備領(lǐng)域具有廣闊的需求。對(duì)比美日一些技術(shù)強(qiáng)國(guó)，雖然我們還存在一定的差距。但隨著近年來材料的發(fā)展與相關(guān)技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目的快速推進(jìn)，一定會(huì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)在高功率儲(chǔ)能器件技術(shù)的跨越式發(fā)展。
