混合型电池-电容储能器件的性能调控及其储能机理的研究

In recent years, the effective electrochemical energy storage has attracted more attentions. The hybrid battery-capacitor energy storage device is a internal hybridation of Li-ion battery and supercapacitor, in which the charges can be stored by both a faradaic reaction and the electrical double layer. Thus, the high-rate charge/discharge capabilities,and cycleability superior to Li-ion batteries can be acquired. Meanwhile, the energy density is much higher than that of supercapacitors. In this project, the hybrid battery-capacitor energy storge device will be fabricated by using the composite electrode of lithium intercalation compound and chemically activated graphene as a cathode, and the composite electrode of activated carbon and graphite as an anode. The electrochemical properties of the device will be regulated by optimizing the electrode materials, electrode structure, and the compositioin of the mixed organic electrolyte. Then, the performance regulation and the charge storge mechanism of the hybrid battery-capacitor energy storge device will be investigated thoroughly. This research is an important development direction of large-scale energy storage, and it will be beneficial for the energy storage application in distributed power station, electric vehicle, etc. In addition, it will promote the multidisciplinary cooperation between material science, alternative energy sources, and electric engineering.

高效电化学储能在当今社会已经成为一个重要的课题，并将在未来的经济发展中发挥更大的作用。混合型电池-电容储能器件采用法拉第反应储存电荷的锂离子电池材料和双电层机制物理储存电荷的电容材料的内部混合，从而获得比锂离子电池更为优异的高倍率性能充放电能力和更高的循环寿命，同时能量密度远高于超级电容器。本项目采用具有层状的三元嵌锂电池材料与活化石墨烯的复合正极、石墨与活性炭的复合负极制备混合型电池-电容储能器件，通过优化电极材料、电极结构和混合电解质溶液组成来调控器件的综合电化学性能；在实验基础上深入研究混合型电池-电容储能器件的电荷存储机制和电化学性能的调控规律。该研究是大规模储能的重要发展方向，不仅对于分布式电站、动力汽车等储能应用具有重要实际意义，还必将促进材料、新能源和电工学科的综合交叉和有机融合，有着重要的学术意义。

为了解决超级电容器能量密度低这一难题，本项目提出了采用法拉第反应机制储存电荷的锂离子电池材料和双电层电容机制储存电荷的电容材料内部混合，制备电池和电容内部并联的混合型储能器件，从而获得比锂离子电池优异的功率性能和循环寿命，并使器件的能量密度远高于双电层超级电容器，为新型电化学储能器件的研究及产业化应用提供了可靠的实验基础和理论指导，进一步拓宽了超级电容器的应用场景。取得的主要结果如下：（1）采用具有层状结构的三元嵌锂材料与电容性炭材料的复合正极和石墨/硬碳负极，制备了一系列混合型电池-电容储能原型器件，能量密度可达36.2 Wh/kg，功率密度达2.4 kW/kg，且具有良好的循环稳定性；（2）系统研究了电极材料、电极结构、高分子隔膜和预嵌锂工艺等对器件综合电化学性能的影响，通过对复合正极组成的调控，得到了不同能量密度和功率密度的储能器件；（3）研究了混合型储能器件的储能机制和电池成分与电容成分的协同作用行为，并建立了相应的数学模型；（4）以活性炭/硬碳体系为基础，研究了锂离子电容器的容量衰减机制，并制备了电容为900 F的锂离子电容器原型器件，能量密度和功率密度分别达20 Wh/kg和5 kW/kg；（5）研究了混合型电池-电容储能器件的高/低温性能；（6）制备了钛酸锂-石墨烯复合负极并研究了活性炭/钛酸锂-石墨烯锂离子电容器体系的电化学性能。上述研究结果表明，混合型电池-电容储能器件是一种先进的电化学储能器件，通过对电极材料和器件结构的调控可以制备满足不同储能需求的电化学储能器件，因此具有重要的科学意义和经济效益。