随着全球经济的迅速发展，化石能源的快速消耗和环境污染的日益恶化，人类对可持续和可再生能源的需求日益增加，激发了科研人员对高效、清洁的能量转换和储存器件的研究。在众多的储能器件中，超级电容器是20世纪七八十年代发展起来的一种新型储能器件，具有优良的脉冲充放电性能，功率密度高于蓄电池，能量密度又高于传统电容。

　　今天给大家介绍的就是我院微纳能源研究中心研发的创新产品锂离子超级电容器,让我们一起来了解它的研发过程和应用吧~

【科技研发】

　　首先给大家简单科普一下锂离子超级电容器的基本原理。

　　什么是锂离子电容器？

　　简单科普一下锂离子超级电容器的基本原理。到如今，超级电容器技术已经比较成熟，被人所熟知，它是一种介于电容器和电池之间的一种产品。而今天我们所展示的是锂离子超级电容器，顾名思义，这是一款介于锂离子电池和超级电容器之间的一种储能器件，它的主要原理在于通过负极预先掺杂锂离子，使得负极电位几乎与锂电位相匹配，由此可以显著提升器件的工作电压到3.8甚至4V以上。

锂离子超级电容器工作原理图

　　与锂离子电池和超级电容器相比，锂离子超级电容器的特点主要体现在：

　　超级电容器相对于电池具有工作温度广泛（从-40℃到+70℃）、能量密度高（最高可达5kWh/kg）、原材料绿色环保等诸多优点。且它的寿命还很逆天，可承受50-100万次的充放电深循环，而普通电池如果经历1000次深循环，估计也就不能用了。

　　超级电容器尽管也是一种储能系统，但又与我们所知的普通电池不同。如果把普通锂电池比喻成汽油，那么超级电容器就是炸药了。超级电容器的充电速度和放电速度都十分快速，远超传统电池。

　　但缺点也有，就是超级电容器长时间放电能力不如电池，所以并不能用于持续涓流的能量输出。并且超级电容器不能用交流电充电，只能在专用的直流电充电站进行充电。

【科技创新】

　　我院开发的锂离子超级电容器产品同时拥有电容器“高功率密度”和锂离子二次电池“高能量密度”的储能特性，具有充/放电周期特性佳、长寿命、耐高温、安全性高等特点。

　　锂离子超级电容器相比较于目前传统的双电层超级电容器而言，在保持其高功率放电特性的同时，大幅提升了器件的能量密度，相同使用条件下，可节约电池体积三倍以上，与此同时，由于锂的掺杂，稳定了负极电位，使得锂离子电容器具有出色的自放电特性，通过双电层和锂离子电容器的自放电曲线对比可以明显的看出，常温条件下，双电层电容器一个月后电压降至初始电压的80％，而锂离子电容器即使100天后仍可保持3.7 V以上的电压。

　　锂离子电池为了实现长寿命，对其充电和放电深度有一定的范围限制，这样就减少了实质上可以利用的容量，双电层电容器的充放电原理则是单纯以吸附或脱却电解液中的离子而具有长寿命的，仅凭这一点很难延长实际寿命。但锂离子电容器即使降低正极电位，单元自身的电压也不会大幅下降，因此可确保容量。

性能比较

　　在高温条件下，电解液、正极容易发生氧化分解，为此，在高温条件下可能需要降低正极的电位，但在电位降低的情况下，双电层电容器整体电压下降，无法确保容量。而锂离子电池则无法降压，容易产生安全问题。唯有锂离子电容器可以在正极电位远离氧化分解区域的位置使用，因而高温性能出色。

　　从安全性上讲，相比于锂电池正极使用金属氧化物，锂离子电容器正极采用的是不含氧的活性炭，当内部发生短路时，随着温度的升高，正极不与电解液发生反应，并不会发生热失控，理论上，会比锂电池安全得多。

【产业应用】

产品应用领域和类型

应用场景案例丨智能水表

　　NB-IOT物联网水表用电情况，智能水表采用MCU+NB-IOT的硬件架构，当智能水表空闲的MCU待机（待机功耗10uA），只有等到需要上传数据时开启NB-IOT网络，其中每次上传数据工作时长约15s，工作电流约150mA，假设每天上传一次数据，水表一年消耗电量；

　　消耗电量/年=10uA*24h*365+150mA*15/3600*365=315mAh；

　　如果物联网水表设计寿命为6年以上，消耗电量为：1890mAh；

　　选取LIC+ER组合，即可满足容量、功率和工作寿命的要求。

智能水表

应用场景案例丨共享单车

　　低温开锁；

　　NB-IOT上报信息，蓝牙备选开锁。

应用场景案例丨ETC

　　高灵敏度OBU系统模块工作状态分为：休眠、预交易、交易。整个过程中耗电量最大的为交易状态中的读卡过程，瞬间电流可达150mA；

　　我国市场绝大多数OBU系统每天交易不到10次，甚至小于1次；

　　需要电源有1000mAh，可以达到累计交易2万次，5年以上使用寿命。

ETC电源使用特点要求

　　1、极端户外天气的放电要求

　　2、长寿命

　　3、高可靠

　　4、安全性

　　5、瞬时大电流脉冲放电

应用场景案例丨备用电源

　　对于制造装置、医疗机器等设备，即使是瞬间电压降低也能导致致命伤。利用锂离子电容器的高温可靠性极高，可在有热源的狭小空间发挥的这种特性，可将锂离子电容器作为分散、选择性备用电源、辅助电源，比如作为服务器CPU、DRAM、RAID控制器、SSD等元件、机器瞬停时的备用电源等等，从蓄电方面看，可用作汽车、搬运车、电梯的回生能量。

微纳能源研究中心

　　我院微纳能源研究中心成立于2017年，在新材料、新能源等领域具有雄厚的技术积累和丰富的产业化经验，长期致力于微纳能源器件的研究。研究中心基于多年微纳能源产品设计、开发和应用经验，在超级电容器、微能源系统、智能微系统的新机理、新材料和新工艺的研发方面取得了突破，致力于以第三代大容量锂离子电容器为代表的新能源技术的研发与制造。目前建有微小型电池及电容器生产线两条，拥有干燥操作间及全套高低温、振动、湿热等环境测试设备，能够研制和批产数十个型号的超级电容器产品，产品广泛应用于智能微电网、智能仪表、轨道交通、新能源发电、工程机械等领域。

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来源|微纳能源研究中心

编辑|王肖

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