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為電動車快速又節能地進行充電，是很多用戶所期盼的。日前，中國科學院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱青島能源所）研究員崔光磊帶領團隊，采用石墨烯基復合材料路線，開發出容量可控的鋰離子電容器器件。

該鋰離子電容器器件在30c（電池充放電時電流大小的比率）倍率下充放電1萬次容量保持率達94.7%、2萬次容量保持率達84.3%以上，目前已成功在電動自行車上進行了示范應用。

用什么儲能

目前，常見的電動自行車、電動摩托車以及電動三輪車廣泛采用鉛酸電池為電源。鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。

據崔光磊團隊成員、青島能源所高級工程師韓鵬獻介紹，鉛酸電池最大的優勢在于生產工藝相對簡單，價格低廉，老百姓容易接受，而其缺點在于使用壽命短（充放電500次），充電時間長（數小時）。

據了解，鉛酸電池腐蝕后會溢出含鉛重金屬和酸性物質，不但嚴重污染土壤和水源，對空氣環境、生態平衡也會造成破壞，還會引發人體代謝、生殖及神經等方面的疾病。

隨著世界各國對環保問題的關注，鉛酸電池所帶來的環境污染問題不容小覷，這也對電動車的儲能設備提出了節能環保的新要求。

如今隨處可見的電動汽車同樣面臨著儲能問題。電動汽車采用電池替換燃油來驅動行駛，包括純電動汽車及混合動力汽車，目前應用最為廣泛的是鋰離子電池。

韓鵬獻指出，盡管單體能量密度可達120wh/kg，但其功率密度僅為500w/kg左右，限制了電動汽車功率性能發揮。

隨著超級電容器的日益興起，采用超級電容器作為電動汽車電源日益增多，在一些地方公交線路開始示范運營，其最大優點是功率密度高達10kw/kg以上，循環壽命數萬次，但常規的雙電層超級電容器由于工作電壓低（<2.7v），能量密度僅為2~5wh/kg。

在此背景下，鋰離子電容器迅速發展起來，成為一種新型高能量密度、高功率密度、長壽命儲能器件。

攻下技術關

傳統意義上的鋰離子電容器，正極采用雙電層超級電容器使用的高比表面多孔炭電極材料，通過吸附電荷儲存電能；負極采用鋰離子電池石墨負極材料，通過電化學嵌入反應儲存電能。

據韓鵬獻介紹，鋰離子電容器的能量密度可以與鉛酸電池相媲美，而其優越的功率性能是鉛酸電池和鋰離子電池所無法企及的。

因此，鋰離子電容器作為經濟型環保電動車電源，需要大功率充放電場合，如高速鐵路、城際軌道交通中的啟動電源、制動能量回收系統；在惡劣條件下，如極端寒冷條件時，作為電動汽車、坦克車、軍用運輸車的冷啟動電源，可以發揮出鉛酸電池及鋰離子電池無法與其比擬的快速充放電優勢；在特殊場合下，可作為快速能量補給裝置，凸顯其獨特作用。

然而，崔光磊團隊也發現了鋰離子電容器技術難點之一，那就是充放電之前向負極中預嵌鋰關鍵技術，以保證器件可以平穩的在電壓窗口下工作。崔光磊表示：“如果預嵌鋰方式不當、預嵌鋰量不足或過量、嵌鋰分布不均勻，都能造成循環壽命下降。”

他還指出，鋰離子電容器另外的技術難點在于，如何改善負極快速充放電性能。鋰離子電容器優勢是提高了能量密度的同時，功率性能仍可以具有雙電層超級電容器那樣優越，但鋰離子電容器負極是通過電化學嵌入、脫出反應儲存電能，不同于正極通過極化物理吸附電荷那樣，可以快速吸收、釋放電能。

因此負極活性材料物理結構、整個負極的成分構成顯得尤為重要，這就要通過減小負極材料尺寸，縮短離子擴散路徑，或構筑可以實現快速傳輸離子的通道和電子轉移的空間網絡，或輔以功能性添加劑，改善負極成分構成，增強電子和離子混合傳輸速度，實現鋰離子電容器的高功率輸入、輸出性能。

崔光磊團隊攻克了程序化預嵌鋰、正負極漿料在特殊集流體上涂布、軟包裝器件脹氣抑制、模塊化系統集成等多個工程化關鍵技術難點。

籌備產業化

崔光磊團隊通過示范應用發現，采用鋰離子電容器作為電動車電源，相比于鉛酸電池，充電速度明顯提升。

鉛酸電池需要10小時左右方可充滿電，而鋰離子電容器僅需1~5分鐘即可，鋰離子電容器壽命長達數萬次，相比鉛酸電池（500次左右）和鋰離子電池（1000次左右），其長期使用性價比優勢明顯。

在各個城市大力發展經濟型環保電動車短程內自由換乘的趨勢下，鋰離子電容器電動車快速充電優勢明顯。在高速鐵路、城際軌道交通大力發展的今天，鋰離子電容器更是顯示出特有的優勢。

有國內專家指出，發展有站點、有規律、站間較近的儲能式軌道交通，是非常必要的，在乘客上下車期間，快速充電；在啟動時，可以瞬間加速，在制動時，可以將能量加以回收儲存。

目前，崔光磊團隊正在與國內一些電動車企業洽談合作，初步定位于將鋰離子電容器作為電動車啟動電源以及經濟型環保電動自行車電源進行示范推廣，通過技術轉讓或參股形式進行規模化生產。

崔光磊說：“在國家高技術研究發展計劃‘863’項目及青島市戰略性新興產業培育計劃項目的支持下，我們下一步將圍繞提高器件能量密度，解決惡劣工況條件下保持高性能等方面展開科技攻關，進一步提升該型電容器的技術水平。”