中國儲能網(wǎng)訊：關(guān)于“電量焦慮”，是不是怕續(xù)航不足，有沒有嫌充電太慢？在儲能領(lǐng)域，“既要……又要……”的事兒怎么辦到？近日榮獲上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎的項目，終于突破了儲能技術(shù)“魚與熊掌”的兩難困局。這就是，由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、上海交通大學(xué)等完成的“面向高功率儲能應(yīng)用的雙高混合型器件關(guān)鍵技術(shù)”。
在新能源革命的浪潮中，儲能技術(shù)被視為“能源轉(zhuǎn)型的最后一公里”。傳統(tǒng)鋰電池存儲能量多，但放電速度慢；超級電容器快速充放佳，但存儲能量不盡如人意。如何讓儲能器件既“裝得多”（高能量密度）又“放得快”（高功率密度）實現(xiàn)“雙高”，“魚與熊掌兼得”成為科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界攻關(guān)的焦點。
在國家和上海市科委科技項目的持續(xù)支持下，這一大獎項目自主研發(fā)出雙高混合型儲能技術(shù)，突破了能量密度＞100Wh/kg且功率密度＞100kW/kg的“雙百”目標，為高技術(shù)裝備、航空航天探測、新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)頻等領(lǐng)域應(yīng)用提供了創(chuàng)新答案。
01
結(jié)構(gòu)設(shè)計“一材雙能”
在電化學(xué)儲能領(lǐng)域，能量密度與功率密度的提升始終面臨“魚與熊掌不可兼得”的科學(xué)瓶頸。鋰離子電池已用于新能源車輛，雖可實現(xiàn)300Wh/kg以上的能量密度，但受限于離子擴散速率，功率密度長期低于1kW/kg；而用于城市公交電車線路的超級電容器，功率密度可達20kW/kg以上，能量密度卻不足20Wh/kg。這本質(zhì)上源于熱力學(xué)與動力學(xué)的固有矛盾——因為前者要求材料具備穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)以存儲更多電荷，后者則需要快速的電子/離子傳輸通道以實現(xiàn)瞬時功率輸出，二者在單一材料體系中難以兼容。
超級電容器、鋰離子電池與雙高混合型器件機理對比。
美日韓等儲能技術(shù)先進國家曾通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、改良電解液等路徑嘗試突破，但始終未能跨越“雙百”技術(shù)門檻。國際學(xué)術(shù)界認為，若無法從材料構(gòu)效關(guān)系的底層結(jié)構(gòu)設(shè)計取得根本性創(chuàng)新，這一難題將長期制約高功率儲能技術(shù)的工程化應(yīng)用。
如何率先破解制約性能的“雙結(jié)構(gòu)功能區(qū)”理論？作為項目第一完成人，黃富強教授帶領(lǐng)中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、上海交通大學(xué)等聯(lián)合團隊從基礎(chǔ)理論突破入手，提出融合“鋰電+超電”優(yōu)點的“體表協(xié)同儲能”新機制和“雙結(jié)構(gòu)功能區(qū)+堆積致密因子”結(jié)構(gòu)設(shè)計理論模型，在電極材料中構(gòu)建“體相儲能功能區(qū)”與“表層功率功能區(qū)”，為“雙高電源”材料設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
“雙結(jié)構(gòu)功能區(qū)+堆積致密因子”材料結(jié)構(gòu)設(shè)計理論模型示意圖。
02
材料制備施展“時空魔法”
“體表協(xié)同儲能”雙高理論突破后，如何將“雙結(jié)構(gòu)功能區(qū)+堆積致密因子”從理論構(gòu)想變?yōu)楣こ态F(xiàn)實？
現(xiàn)實中，科研團隊面臨進一步挑戰(zhàn)。因為傳統(tǒng)制備工藝無法在同一材料中實現(xiàn)“高溫結(jié)晶”與“低溫摻雜”的兼容，兩者在熱力學(xué)上是相互排斥的。
為此，團隊發(fā)明了“多時空拓撲許可”制備新技術(shù)，制備復(fù)雜功能材料。他們將熱力學(xué)禁阻的“同時空”單步反應(yīng)，拆解為熱力學(xué)許可的“多時空”分步反應(yīng)，通過精準調(diào)控反應(yīng)時間與空間，使原本相互排斥的化學(xué)反應(yīng)在時間序列上依次發(fā)生，成功實現(xiàn)亞穩(wěn)相材料的可控量產(chǎn)，讓原本“水火不容”的兩種工藝在材料制備中和諧共存，最終在材料中形成“體相-表層”復(fù)合結(jié)構(gòu)，開辟了分階段構(gòu)筑復(fù)雜多功能材料的全新路徑。
雙高混合型儲能關(guān)鍵電極材料多時空拓撲許可制備原理示意圖。
專家認為，“時空解耦+拓撲轉(zhuǎn)換”材料制備創(chuàng)新不僅指導(dǎo)制備出原創(chuàng)雙高電極新體系，而且為氫燃料電池催化劑、固態(tài)電解質(zhì)等復(fù)雜材料制備提供了新思路。
03
器件設(shè)計“反其道而行”
長期以來，儲能器件普遍采用元素種類與比例相似、或化合物類型相似、或晶體結(jié)構(gòu)相似的對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種設(shè)計雖能實現(xiàn)單一性能的優(yōu)化，如超級電容器的長循環(huán)壽命或鋰電池的高能量密度，卻難以突破“雙高”協(xié)同的瓶頸。
對此，團隊“反其道而行”，制定非對稱原創(chuàng)電極復(fù)配方案，以非對稱結(jié)構(gòu)打造“雙高引擎”。根據(jù)不同場景應(yīng)用需求，正極構(gòu)建“體相化學(xué)儲能區(qū)”，負責(zé)存儲大量能量，為器件提供堅實的能量基底。負極則構(gòu)建“表層物理儲能區(qū)”，實現(xiàn)快速電荷“吞吐”，確保了器件的高功率輸出能力。
然而，讓復(fù)配電極各司其職、協(xié)同互補的另一大挑戰(zhàn)在于，復(fù)配兼容性不佳、集流體的電阻高。為解決界面阻抗問題，團隊發(fā)明了三維石墨烯管的集流體，通過管間共價鍵合，形成類金剛石結(jié)構(gòu)，將內(nèi)阻降至0.1mΩ，力學(xué)和電學(xué)性能比傳統(tǒng)多孔碳要高兩個數(shù)量級。這種“電子高速公路”般的集流網(wǎng)絡(luò)，不僅能快速收集電極材料產(chǎn)生的電荷，更能承受千安培級的超大電流沖擊。
經(jīng)測試，三維石墨烯管同時兼具超輕密度（1mg/cm?3;）與比鋼材高207倍的高比強度，可壓縮95%，且循環(huán)1000次無損傷。這種“剛?cè)岵钡奶匦?，使其成為連接復(fù)配電極的理想媒介。
采用極低內(nèi)阻三維集流與電極復(fù)配創(chuàng)新設(shè)計的雙高混合型器件。
從對稱到非對稱、從單一儲能到協(xié)同創(chuàng)新，通過產(chǎn)學(xué)研用接續(xù)攻關(guān)，團隊最終研發(fā)出能量＞100Wh/kg且功率＞100kW/kg的“雙百”超高效能器件與電源，為滿足極端特種應(yīng)用場景，如“毫秒級快響應(yīng)+超大電流強輸出”，以及新型電力系統(tǒng)大規(guī)模調(diào)頻儲能應(yīng)用場景，如“兆瓦級高功率+分鐘級高能量輸出”，提供了重要動力核心。
2024科技獎勵成果展示
項目名稱：面向高功率儲能應(yīng)用的雙高混合型器件關(guān)鍵技術(shù)
完成單位：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
完 成 人：黃富強 等
獎勵等級：技術(shù)發(fā)明一等獎
2024年度上海市科學(xué)技術(shù)獎近日正式頒發(fā)，激勵上海科技工作者在建設(shè)國際科技創(chuàng)新中心的進程中為國擔(dān)當(dāng)、勇為尖兵！加快建設(shè)高水平人才高地，深化國際科技開放合作，加強國家戰(zhàn)略科技力量建設(shè)，攻堅關(guān)鍵核心技術(shù)難題，推動科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，這是上海在深化國家科創(chuàng)中心建設(shè)之路上的一道道時代命題。本專欄以全市各媒體記者的視角，解讀獲獎成果，體現(xiàn)科技作為，展示科創(chuàng)中心建設(shè)的每一份答卷。
