鋰離子電容器性能分析及其應(yīng)用

鄭俊生，呂心榮，鄭劍平

（1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海市 嘉定區(qū) 201804；2.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海市 嘉定區(qū) 201804；3.紐約州立大學(xué)布法羅分校，布法羅 14260，美國(guó)）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的目標(biāo)，我國(guó)正加速構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1-3]。2021年7月發(fā)布的《國(guó)家能源局關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，到2025年我國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模要達(dá)到3 000萬(wàn)kW。隨著大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)、跨區(qū)直流輸電容量快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)電源占比逐漸減小，電網(wǎng)頻率的抗擾動(dòng)能力和調(diào)節(jié)能力日益下降，頻率安全已經(jīng)成為制約新型電力系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已發(fā)生多起大頻差擾動(dòng)事件，如何進(jìn)行高效的頻率儲(chǔ)能成為儲(chǔ)能技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)。例如：現(xiàn)行《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 1870—2018)對(duì)可再生能源發(fā)電調(diào)頻能力提出技術(shù)要求；《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(GB 38755—2019)明確要求并網(wǎng)電源應(yīng)具備足夠的調(diào)頻和快速提壓、調(diào)峰能力；2021年10月頒布的《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》(GB/T 40595—2021)要求儲(chǔ)能電站、光伏、風(fēng)電等均應(yīng)具備一次調(diào)頻能力。

電化學(xué)儲(chǔ)能器件是能源體系的重要組成部分，也是目前功率調(diào)節(jié)的主流技術(shù)方案[6]。近年來(lái)，以鋰離子電池(lithium ion batteries，LIBs)為代表的能量型器件和以雙電層電容器為代表的功率型器件發(fā)展迅速[7]。受電化學(xué)儲(chǔ)能本質(zhì)的限制，常用的鋰離子電池和雙電層電容器(electrical doublelayer capacitors，EDLCs)無(wú)法同時(shí)兼顧比能量、比功率和循環(huán)壽命，無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)高比能量、高比功率和長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能的需求。而鋰離子電容器(lithium ion capacitors，LICs)作為在雙電層電容器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新一代儲(chǔ)能器件[8-11]，負(fù)極通常采用Li+嵌脫型碳材料(如石墨、硬碳等)，正極一般采用高比表面積碳基材料(如活性炭等)，其結(jié)合了鋰離子電池和雙電層電容器的優(yōu)點(diǎn)，比能量是傳統(tǒng)雙電層電容器的3～5倍[11-13]，比功率與傳統(tǒng)雙電層電容器相近[14]，并且在電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷跟蹤與系統(tǒng)調(diào)頻，以及新能源汽車(chē)的功率輔助與能量回收等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，為功率調(diào)節(jié)提供了一種新選擇[15]。

本文分析了雙電層電容器能量密度受限原理，鋰離子電容器性能提升的因素及其與雙電層電容器的性能差異，以及其在智能儀表、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。

1 雙電層電容器能量密度受限原理

圖1為鋰離子電池和雙電層電容器的結(jié)構(gòu)圖。鋰離子電池具有高比能量的特點(diǎn)，是目前電化學(xué)儲(chǔ)能研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)；但其嵌入/脫嵌的反應(yīng)機(jī)理決定了其反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致功率密度較小、循環(huán)壽命較短，難以滿(mǎn)足快速充/放電、高功率與長(zhǎng)期可靠使用等需求。雙電層電容器作為一種新的儲(chǔ)能器件，其吸附/脫附的反應(yīng)機(jī)制決定了其具有充/放電快、循環(huán)壽命長(zhǎng)和功率密度大等特點(diǎn)[16]。但也正是這種儲(chǔ)能機(jī)制決定了雙電層電容器的能量密度通常不超過(guò)10 W·h/kg，遠(yuǎn)低于鋰離子電池，無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高比能量的需求。因此，如何提高能量密度是目前雙電層電容器研究的重點(diǎn)[17]。

圖1 鋰離子電池和雙電層電容器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of LIBs and EDLCs

在確定提升雙電層電容器能量密度方法之前，需要對(duì)雙電層電容器能量密度的決定性因素進(jìn)行分析。雙電層電容器存儲(chǔ)在正極的電量與電壓成比例關(guān)系，可以表示為

式中：mc為正極活性材料質(zhì)量，g；Cc為正極活性物質(zhì)比電容，F(xiàn)·g-1；Vc為電壓區(qū)間，V。

若基于電極活性物質(zhì)質(zhì)量考慮，雙電層電容器的能量密度ε1可以表示為

式中：Cp為電極材料比電容；VM為最大工作電壓。

從式(2)可以看出，雙電層電容器的能量密度主要受電極材料的容量與電壓的影響。

基于以上分析可知，通過(guò)提升電極材料的容量可提升雙電層電容器的能量密度。因此，如何提升電極材料的容量成為近半個(gè)世紀(jì)的研究熱點(diǎn)，例如：Wang等[18]制備了改性的交聯(lián)聚苯胺納米棒材料，改性后的交聯(lián)聚苯胺在掃描速率為1 mV/s時(shí)，比電容達(dá)到455.1 F/g；Ren等[19]研究發(fā)現(xiàn)，聚苯胺負(fù)載量的多少影響二硫化鉬/聚苯胺復(fù)合材料比電容的大小，當(dāng)負(fù)載量達(dá)到53%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，其表現(xiàn)出最為優(yōu)異的電化學(xué)性能；Zhu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，還原氧化石墨烯水凝膠在電流密度為1 A/g時(shí)比電容達(dá)到387.43 F/g；Yang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，聚吡咯/蒽醌磺酸鹽/還原氧化石墨烯復(fù)合材料的最大功率密度達(dá)到6 240.5 mW/m2；Sha等[22]研究發(fā)現(xiàn)，二硫化鉬/聚苯胺/還原性氧化石墨烯氣凝膠的比電容達(dá)到618 F/g(電流密度為1 A/g)；Zhang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，以四丁基氫氧化銨、十六烷基三甲基和十二烷基苯磺酸改性的氧化石墨材料等都具有極高的比電容。但對(duì)實(shí)際應(yīng)用的電容器來(lái)說(shuō)，材料比電容的提升并不意味電容器能量密度的提升。高的材料電容量一般意味著大的比表面積，這通常導(dǎo)致較大的孔隙率。在實(shí)際工作中，電極材料的空隙基本上需要充滿(mǎn)電解液，但這會(huì)增加電極的質(zhì)量，進(jìn)而降低能量密度。

若考慮電極材料孔隙率和電解液的影響，雙電層電容器的能量密度ε2可以表示為

式中：β為電極孔隙率；ρe為碳材料的密度，一般為2.2 g/cm3；ρl為電解液的密度，一般為1.2 g/cm3。

從式(3)可以看出，雙電層電容器的能量密度由變量β、Cp和VM決定，即雙電層電容器的能量密度受電極孔隙率的影響較大，因此制備高體積比電容或者低孔隙率的電極極為必要[24-25]。

事實(shí)上，電容器在充放電過(guò)程中，正極、負(fù)極和電解液之間的離子總數(shù)守恒，因此存儲(chǔ)的最大能量由正極、負(fù)極和電解液三者中容量最小值所決定。常用的電極材料，如活性炭的比電容約為120 F/g，石墨的比電容約為372 mA·h/g；常用的鋰離子電池正極材料，如LiCoO2理論比電容為272 mA·h/g，實(shí)際比電容約為140 mA·h/g。然而，電解液的理論容量要遠(yuǎn)小于電極材料。例如，常用的1 mol/L Et4NBF4(四乙基四氟硼酸銨，溶劑通常采用乙腈)或1 mol/L LiPF6(六氟磷酸鋰，溶劑通常由碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照一定比例混合得到)，其比電容約為22.3 mA·h/g或者26.8 mA·h/cm3，遠(yuǎn)小于上述電極材料的比電容。也就是說(shuō)，電容器電解液的容量是鋰離子電容器能量密度低的關(guān)鍵因素。

因此，若進(jìn)一步考慮充電、放電過(guò)程的離子來(lái)源，雙電層電容器能量密度ε3可以表示為

式中：α≤1，是常數(shù)，表示充滿(mǎn)電狀態(tài)下電解液中離子消耗的百分比；F為法拉第常數(shù)；Co為電解中鹽濃度。

根據(jù)上述分析，可得雙電層電容器能量密度與電極材料比電容、電壓、電解液濃度以及電解液利用率的關(guān)系[26-27]，如圖2所示。如果電極材料比電容Cp為100 F/g，最大工作電壓VM為2.5 V，電解中鹽濃度Co為1 mol/L，由圖2(a)可見(jiàn)，當(dāng)電極材料的比電容小于75 F/g時(shí)，雙電層電容器能量密度會(huì)隨著比電容的增大呈直線上升的趨勢(shì)；而當(dāng)比電容大于100 F/g時(shí)，能量密度受電極材料比電容的影響較小，其主要?dú)w咎于電解液離子濃度的限制。當(dāng)電極材料比電容較小(＜75 F/g)時(shí)，電解液中有足夠的離子用于反應(yīng)，雙電層電容器能量密度會(huì)隨著電極材料比電容的增大而增大；當(dāng)電極材料比電容較大(＞100 F/g)時(shí)，溶液中的離子數(shù)目逐漸成為反應(yīng)的控制因素，雖然電極材料的比電容在增加，但溶液無(wú)法提供足夠的離子用于反應(yīng)，導(dǎo)致能量密度變化不大[17,26]。在這種情況下，即使電極材料的比電容達(dá)到300 F/g，雙電層電容器能量密度也低于200 W·h/kg，遠(yuǎn)低于基于活性材料計(jì)算的數(shù)據(jù)。

由圖2(b)可見(jiàn)，操作電壓對(duì)電容器能量密度的影響極為關(guān)鍵。隨著操作電壓增大，雙電層電容器的能量密度顯著增大。當(dāng)電壓為0～2.7 V時(shí)，α=1時(shí)的能量密度約為15 W·h/kg，α=1/2時(shí)的能量密度不超過(guò)10 W·h/kg。電容器的能量密度與正/負(fù)極材料、電解液和正/負(fù)極的匹配密切相關(guān)[27]。然而，實(shí)際應(yīng)用中提高雙電層電容器的操作電壓極為困難。目前雙電層電容器的最高操作電壓主要為2.6～2.9 V，對(duì)應(yīng)能量密度為8～10 W·h/kg，這是雙電層電容器目前應(yīng)用受限的主要原因。

圖2 雙電層電容器能量密度隨比電容、電壓的變化曲線Fig.2 Variation curves of energy density of EDLCs with electrode capacity and voltage

2 鋰離子電容器的工作原理

針對(duì)雙電層電容器能量密度限制問(wèn)題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行了相關(guān)研究，在電容器的材料、電解液等方面做了很多工作[28-30]。在材料方面，受制于雙電層電容器儲(chǔ)能機(jī)制，材料容量的提升對(duì)雙電層電容器能量密度的提升作用不夠明顯；在電解液方面，受制于雙電層電容器高倍率和長(zhǎng)壽命的要求，實(shí)際應(yīng)用還需要更深入的研究。在這種情況下，鋰離子電容器應(yīng)運(yùn)而生。

鋰離子電容器是一種介于鋰離子電池和雙電層電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，工作原理如圖3所示，其正極與雙電層電容器類(lèi)似，一般采用高比表面積活性炭；負(fù)極通常采用Li+嵌脫型碳基材料(如硬碳等)并進(jìn)行預(yù)鋰化。鋰離子電容器的負(fù)極是離子的嵌入/合金/轉(zhuǎn)化等氧化還原過(guò)程，正極則是雙電層儲(chǔ)能機(jī)理。

圖3 鋰離子電容器工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of working principle of LICs

鋰離子電容器的工作原理使其電化學(xué)性能優(yōu)于雙電層電容器，其具體原因可從工作過(guò)程中的電位變化(見(jiàn)圖4)進(jìn)行分析。從圖4可以看出，鋰離子電容器正極電位變化與雙電層電容器類(lèi)似，正極的電位與充電時(shí)間呈線性變化關(guān)系。一方面，負(fù)極由于采用了預(yù)鋰化的嵌脫型碳基材料，在充放電過(guò)程中電位變化不大，從而顯著提高電容器的工作電位(從2.7 V提高到4.0 V)，進(jìn)而提升鋰離子電容器的能量密度。另一方面，預(yù)鋰化過(guò)程加入的鋰在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生脫嵌，而固態(tài)鋰金屬的容量要遠(yuǎn)大于電解液的容量，從而提供額外的鋰離子用于反應(yīng)，進(jìn)一步提升了鋰離子電容器的能量密度。正是這些原因使鋰離子電容器能提供4倍于雙電層電容器的比能量，以及10倍于鋰離子電池的比功率和循環(huán)壽命，從而有效拓寬了電化學(xué)儲(chǔ)能器件的應(yīng)用范圍，被認(rèn)為是高比能量、大功率器件的杰出代表[31]。

圖4 鋰離子電容器工作過(guò)程中的電位變化圖Fig.4 Potential change diagram of LICs during operation

3 鋰離子電容器與雙電層電容器性能對(duì)比

相對(duì)于雙電層電容器，鋰離子電容器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其能量密度較高，可以提升至雙電層電容器的3～5倍。而能量密度的提升是否會(huì)導(dǎo)致鋰離子電容器的功率和壽命劣于雙電層電容器，這成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的問(wèn)題之一。

3.1 能量密度

通過(guò)正負(fù)極不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)及預(yù)鋰化技術(shù)，鋰離子電容器能量密度顯著高于傳統(tǒng)雙電層電容器。筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)鋰離子電容器能量密度極限進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有材料體系和包裝效率下，鋰離子電容器能量密度可達(dá)到60 W·h/kg[32]，是傳統(tǒng)雙電層電容器能量密度的5倍以上。

3.2 功率密度

功率密度對(duì)于電容器的應(yīng)用極為關(guān)鍵。針對(duì)鋰離子電容器，值得研究的是能量密度的提升是否會(huì)導(dǎo)致功率密度的下降。事實(shí)上，鋰離子電容器的功率密度不低于傳統(tǒng)的雙電層電容器。針對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)術(shù)研究和工業(yè)實(shí)踐都證明了鋰離子電容器的功率密度較高，其主要原因在于鋰離子電容器工作電壓的提升。

電容器的功率密度可以表示為

式中RES為等效串聯(lián)電阻。

在雙電層電容器中，等效串聯(lián)電阻主要受限于電解液中乙腈基電解質(zhì)的電導(dǎo)率，其電導(dǎo)率在20 mS/cm左右；而鋰離子電容器的電解液主要采用碳酸亞丙酯基電解質(zhì)，電導(dǎo)率在7 mS/cm左右，小于雙電層電容器。但是，鋰離子電容器的電壓高于雙電層電容器，其電壓在2.0～4.0 V。通過(guò)式(5)計(jì)算可知，鋰離子電容器的功率密度要稍高于傳統(tǒng)的雙電層電容器。

筆者團(tuán)隊(duì)[32]通過(guò)改進(jìn)材料體系，開(kāi)發(fā)了具有超高功率的鋰離子電容器，即分層孔隙石墨烯//羧基化石墨烯(hierarchical pore structural graphene//edge-carbonylated graphene nanosheets，MP-G//GCOOH)，其活性材料的功率密度可達(dá)到53 kW/kg，其與活性炭//硬碳(activated carbon//hard carbon，AC//HC)鋰離子電容器性能對(duì)比如圖5所示。

圖5 MP-G//G-COOH和AC//HC鋰離子電容器的性能對(duì)比Fig.5 Performance comparison of MP-G//G-COOH and AC//HC LICs

3.3 循環(huán)壽命

循環(huán)壽命也是電容器相對(duì)于鋰離子電池的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。鋰離子電容器負(fù)極的反應(yīng)機(jī)制與鋰離子電池類(lèi)似，這種嵌入-脫嵌的反應(yīng)機(jī)制決定了負(fù)極是鋰離子電容器壽命的主要影響因素。圖6為60 C下不同正負(fù)極比例的鋰離子電容器的循環(huán)性能[33]。如果按照雙電層電容器正、負(fù)極比例為1∶1的匹配方案，鋰離子電容器的壽命顯著降低，遠(yuǎn)低于雙電層電容器。為了延長(zhǎng)鋰離子電容器的壽命，負(fù)極的材料體系、預(yù)鋰化過(guò)程，以及正極、負(fù)極的合理匹配是目前研究的重點(diǎn)[34]。

為解決這個(gè)問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)[34-36]通過(guò)負(fù)極材料的優(yōu)化、預(yù)鋰化過(guò)程研究，以及正極、負(fù)極的匹配，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電容器的壽命超過(guò)30萬(wàn)次循環(huán)，鋰離子電容器的循環(huán)壽命與雙電層電容器一致。

3.4 自放電性能

自放電性能對(duì)于化學(xué)電源的應(yīng)用至關(guān)重要。自放電通常由化學(xué)不穩(wěn)定的電極和電解液中的雜質(zhì)引起。在雙電層電容器中，由于其吸/脫附過(guò)程能壘較低，吸附在電極表面的電荷容易被去除，導(dǎo)致其自放電性能極差。而對(duì)于鋰離子電容器，由于負(fù)極反應(yīng)的高能壘，存儲(chǔ)在負(fù)極插層電極材料中的電荷很難去除，使得鋰離子電容器的自放電速率遠(yuǎn)小于雙電層電容器。雙電層電容器和鋰離子電容器自放電性能差異原理[35,37]如圖7所示。

圖7 雙電層電容器和鋰離子電容器自放電性能差異原理Fig.7 Principle of self discharge performance difference between EDLCs and LICs

3.5 溫度適用范圍

電解質(zhì)是影響電容器溫度適用范圍最重要的因素。雙電層電容器的乙腈基電解質(zhì)的適用溫度一般為-40～65℃，這使得雙電層電容器可以在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。鋰離子電容器的溫度適用范圍也受限于電解液的適用溫度。鋰離子電容器通常采用的電解液為1.0 mol/L LiFP6(其溶劑采用碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯按比例1∶1進(jìn)行混合)，其適用溫度為-20～70℃，這導(dǎo)致鋰離子電容器的低溫性能要劣于雙電層電容器。但可通過(guò)電解液的改進(jìn)來(lái)提升鋰離子電容器的低溫性能。

筆者團(tuán)隊(duì)[38]采用1.0 mol/L LiFP6溶解在碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、丁酸甲酯體積分?jǐn)?shù)之比為20∶20∶60的溶劑中，并加入0.1 mol/L二氟草酸硼酸鋰(LiDFOB)作為電解液，可使鋰離子電容器的適用溫度達(dá)到-40～70℃，基本上與雙電層電容器一致。溫度對(duì)鋰離子電容器性能的影響如圖8所示。

圖8 溫度對(duì)鋰離子電容器性能的影響Fig.8 Effect of temperature on the performance of LICs

4 鋰離子電容器的應(yīng)用

作為一種新型儲(chǔ)能器件，鋰離子電容器在電網(wǎng)調(diào)峰與系統(tǒng)調(diào)頻、汽車(chē)功率輔助與能量回收，以及高性能軍用器件(如高功率雷達(dá)、高強(qiáng)度激光武器和定向能武器)等要求電源能同時(shí)滿(mǎn)足高比能量、高比功率和長(zhǎng)壽命的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，鋰離子電容器既可以作為功率型儲(chǔ)能器件單獨(dú)使用，也可以與其他儲(chǔ)能器件(如鋰離子電池、燃料電池、鉛酸蓄電池等)組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)而更大程度地提升其應(yīng)用潛力。目前，鋰離子電容器已經(jīng)應(yīng)用于智能儀表、汽車(chē)節(jié)能減排、新能源汽車(chē)、新能源發(fā)電、智能電器和軍用設(shè)施等領(lǐng)域[39]。

4.1 智能儀表

智能儀表是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理的先進(jìn)計(jì)量設(shè)備。比如，智能電表是智能電網(wǎng)(特別是智能配電網(wǎng))數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一，其作為電網(wǎng)的終端，承擔(dān)著原始電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基礎(chǔ)，在人們的生活中起著很重要的作用。傳統(tǒng)的智能電表以電池為電源，但其壽命較短且難于維護(hù)，限制了其實(shí)際應(yīng)用能力；同時(shí)，電池功率太低，不利于數(shù)據(jù)的采集。

近年來(lái)，隨著智能儀表的推廣以及功率需求的增加，采用雙電層電容器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池作為智能儀表電源成為了一種趨勢(shì)。但其有以下2方面不足：1）雙電層電容器能量密度太低，較難滿(mǎn)足能量需求；2）傳統(tǒng)雙電層電容器的工作電壓在2.7 V，與鋰離子電池的3.8 V有較大差距，為了滿(mǎn)足智能儀表的電壓需求，需要采用2組電容器并聯(lián)的工作模式，此操作明顯增加了成本。與鋰離子電池相比，鋰離子電容器具有更長(zhǎng)的使用壽命、更短的充電時(shí)間、更高的功率。同時(shí)，與雙電層電容器相比，鋰離子電容器還具有工作電壓高、能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，故可將其用于智能儀表的時(shí)鐘芯片和斷電保護(hù)時(shí)的備用電源，以確保智能儀表的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 汽車(chē)節(jié)能減排

節(jié)能與減排是汽車(chē)行業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，也是汽車(chē)的重要研究方向。為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行業(yè)的節(jié)能減排與行業(yè)新舊動(dòng)能的轉(zhuǎn)變，一方面，需要大力發(fā)展新能源汽車(chē)；另一方面，針對(duì)我國(guó)目前汽車(chē)產(chǎn)量80%以上還是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的現(xiàn)實(shí)，如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的節(jié)能減排是汽車(chē)行業(yè)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。鋰離子電容器主要起到對(duì)新能源汽車(chē)(如純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē))功率輔助和延長(zhǎng)壽命的作用。利用鋰離子電容器高倍率、長(zhǎng)壽命的特征，可以提高加速、爬坡、制動(dòng)等過(guò)程的功率，同時(shí)延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命。尤其是對(duì)于燃料電池汽車(chē)，鋰離子電容器可以通過(guò)制動(dòng)能量的回收提高燃料的利用率。

筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)燃料電池-鋰離子電容器復(fù)合電源系統(tǒng)的應(yīng)用，使能量利用率提升了20%。對(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)，通過(guò)引入鋰離子電容器的48 V系統(tǒng)(如圖9所示)，可對(duì)通常的B級(jí)車(chē)在新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試工況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%；對(duì)于頻繁啟停的上海道路工況，節(jié)能效果可提高到30%，從而實(shí)現(xiàn)在城市工況下百千米油耗小于5.0 L的目標(biāo)。

圖9 具有鋰離子電容器的48 V啟停系統(tǒng)工作曲線Fig.9 Working curves of 48 V start-stop system with LICs

4.3 可再生能源發(fā)電

截至2020年底，我國(guó)水電、核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到6.8億kW，占總裝機(jī)容量的37.2%[18]，但可再生能源發(fā)電不夠穩(wěn)定，易受自然天氣的影響，不能保證提供持續(xù)有效的能源。

鋰離子電容器高比功率和超長(zhǎng)壽命的特征，為其在電網(wǎng)儲(chǔ)能尤其是風(fēng)機(jī)調(diào)頻、電網(wǎng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻與調(diào)峰等方面提供基礎(chǔ)，從而提升電網(wǎng)頻率的抗擾動(dòng)能力和調(diào)節(jié)能力。比如，在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，鋰離子電容器高功率和長(zhǎng)壽命使其可用于風(fēng)機(jī)的風(fēng)電變槳系統(tǒng)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)發(fā)電的頻率。同時(shí)，其高能量密度的特性有助于風(fēng)機(jī)質(zhì)量減少與成本下降。當(dāng)風(fēng)力充足時(shí)，鋰離子電容器能有效地保證風(fēng)力所提供的電力有效地提供給各種電子設(shè)備。當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，其風(fēng)力儲(chǔ)存的能量不足以供應(yīng)設(shè)備的使用，此時(shí)則可利用鋰離子電容器來(lái)彌補(bǔ)能量的不足，作為補(bǔ)充能源來(lái)保證設(shè)備的正常運(yùn)行。鋰離子電容器作為風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能裝置，可在風(fēng)力大小不均勻的情況下完成能量的緩沖，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)儲(chǔ)能。在電網(wǎng)的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻與調(diào)峰等方面，鋰離子電容器良好的循環(huán)壽命與快速反應(yīng)速度完全滿(mǎn)足新能源對(duì)于儲(chǔ)能裝置的要求，能有效存儲(chǔ)不穩(wěn)定的能量，彌補(bǔ)鋰離子電池等其他化學(xué)電源大功率方面的不足，能夠提供更為穩(wěn)定的能源接入電網(wǎng)中。除此以外，鋰離子電容器還能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電勢(shì)、減少電源容量配置的作用。

5 結(jié)論

1）作為一種儲(chǔ)能器件，雙電層電容器具有快充放電速率、長(zhǎng)循環(huán)壽命和較寬適用溫度范圍的優(yōu)勢(shì)，但其能量密度過(guò)低，常規(guī)雙電層電容器能量密度很難突破10 W·h/kg，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

2）鋰離子電容器的能量密度達(dá)到傳統(tǒng)的雙電層電容器的3～5倍，同時(shí)其功率密度、自放電性能、低溫性能和循環(huán)壽命都不劣于傳統(tǒng)的雙電層電容器。

3）鋰離子電容器獨(dú)特的性能使其在智能儀表、汽車(chē)節(jié)能減排、新能源汽車(chē)、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。