高比能锂离子电容器

1.汽车启停电源

汽车启停电源是混合型锂离子电容器潜力最大的目标应用市场，也是我们开发HyLIC的一个主要出发点。

节能与减排是汽车行业面临的生死存亡的问题。国家能源战略和法规都给汽车的节能减排工作制定了苛刻的标准，给汽车行业带上了“紧箍咒”。《乘用车能耗核算方法》规定，到2020年我国乘用车新车的平均油耗不高于5.0升/百公里。目前的汽车企业基本无法达到这个标准。而在现有条件下，大规模的发展新能源汽车还为时尚早，需要在传统汽车动力系统改进和更新上多做文章。汽车启停系统通过回收汽车制动时的能量，用于汽车在交叉口的启停和怠速使用，可减少排放20%，同时节约能耗15%，被认为是目前传统汽车应对新法规最切实可行的途径。如果40%采用启停电源系统，市场容量超过800万套。

目前汽车启停电源系统主要采用LIB作为电源，但是，普遍反映的应该问题是节能效果不佳。为了多这个问题进行认识，我们和同济大学交通学院合作，对于汽车在交通路口的运行特征进行了分析。

可以发现，这个特征对于电源的要求极为苛刻，需要电源能实现300C的充放电。锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池和钛酸锂电池均无法满足需求。而高能量密度锂离子电容器是48V汽车启停电源的必然选择。

采用我们开发的48V启停系统，以明锐1.4T家庭轿车为基础，通过AVL-cruise构建了整车的动力学模型(如图7)，分析了启停系统对汽车能耗的影响规律。可以发现，不管是针对NEDC工况还是上海城市工况，及节能效果都超过30%。

同时，相对于目前常用的电源系统，基于HyLIC的48V系统具有很好的成本优势。在存储同样能量前提下，我们对比分析了HyLIC、铅酸电池和锂离子电池作为48V电源的性能，如下图所示。可以发现，HyLIC在寿命、功率和成本方面优势显著。如果采用同样的功率（12kW），则HyLIC的成本开可以下降60%。

2. 电动汽车混合动力系统

电动汽车一个主要的趋势是采用电池-电容器混合方案以达到延长寿命的目的。具体用电池为电动汽车的正常运行提供能量，而加速、拐弯和爬坡时可以由超级电容器来补充能量。另外，用超大容量电容器存储制动时产生的再生能量。

现有公交车用电池需要210千瓦时（2000公斤重量，价格50-70万），平均功率为60-80千瓦。而公交车的峰值功率在250千瓦左右，采用0.5度电左右的电容器就可以满足公交车的功率补偿要求。下图为Maxwell开发的商业超低电容器辅助模块，整体重量在166公斤左右。如果采用HyLIC，整体重量在25公斤左右，成本为传统电容器的1/5。

3.燃料电池汽车

近年来，燃料电池汽车产业化项目建设突飞猛进，多国车企已经或即将推出燃料电池车。本田、通用、现代、福特、克莱斯勒、丰田、奔驰等大公司都已经开发出燃料电池车型并已经在正式运行，普遍状况良好。

相对于其他的新能源汽车，燃料电池汽车有其独特的优势。燃料电池汽车效率高于传统内燃机汽车和纯电动汽车；燃料电池汽车无任何污染物排放，被认为是“最干净”的汽车；相对于纯电动汽车，燃料电池汽车具有燃料加注快（和传统汽车类似），续航里程长等优点，具有最好的驾驶适应性和操控性。目前，国内外燃料电池汽车发展方兴未艾，有望成为下一代主流的技术路线。

目前燃料电池汽车主要的技术方案为“燃料电池-锂离子电池”混合的技术方案。主要原因为我国的燃料电池电堆技术与国外有一定距离。按照技术路线的演进，全功率燃料电池会成为技术的主流。在这种情况下，HyLIC作为燃料电池功率补偿和能量回收电源必不可少。通过计算发现，采用HyLIC作为辅助电源的燃料电池汽车，可以实现节能15%的效果。

4.工厂物流设备领域

相对于铅酸电池、锂离子电池，HyLIC在AGV具有更长的循环寿命 (100k)，在AGV使用寿命内无需更换电源；更高电压范围（3.8-2.2 V），更好支持电池模块设计；超低内阻来支持40到60秒的AGV快速无线充电。

5.储能领域

在对电能具有随机性、间歇性和突发性要求的应用场合，通过利用超级电容器备用储能装置，可实现电力能源的快速、稳定、灵活调节，这使超级电容器储能系统在诸多领域具有广泛而深远的应用前景。

在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。采用超级电容器储能，可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点，既可以单独储能，也可以与其他储能装置混合储能。超级电容器与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯等。超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发电系统，可以对系统起到瞬间功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性。

据百纳电气的报告数据，全国有1400个超大型电站，按照5年后有70%的电站采用超级电容器方案，每套系统600万，销售额有望达到58.8亿。

6.军用载运工具

现代战场条件对于载运工具有新的要求，尤其是对于坦克，自行火炮等工具。现代战场需要这些装备在发射弹药后，能立刻关闭发动机并快速离开当前位置，避免被对方制导武器袭击。通常可以采用铅酸电池、锂离子电池实现这些功能。但是，它们的功率密度、寿命和低温性能无法满足战场条件的要求。目前，美国陆军已经在使用锂离子电容器进行相关的测试和验证试验，我们也需要加大对这方面的研究。而我们开发的混合型锂离子电容器能满足这方面的需求。

此外，混合型锂离子电容器还可以配合电池应用于内燃发动机电启动系统，能有效保护电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏电的情况下，确保可靠启动。其工作温度范围宽，可在-40℃环境工作，保证了电启动系统的正常供电，使坦克战车一次启动成功。

前期某军区坦克及装甲车启动，拟有300辆采用锂离子电容器方案。预计5年后有6000辆采用锂离子电容器方案，每辆车采用4个32V模块，每个模块按照2.8万元计算，销售额1.6亿元。

7.军用单兵通讯系统

民用个人通信系统目前主要追求长的通话和待机时间，这需要电源具有较高的能量密度，而对功率和寿命要求不是特别高。目前主要为锂离子电池。对于单兵通讯系统，情况则不一样。国际的趋势是在士兵的身上携带一个个人电源中心，由这个电源中心给需要的其他器件，如单兵通讯系统充电。由于战场形势瞬息万变，需要单兵通讯系统具有和基站的远距离通讯能力，这些应用的特殊性，需要单兵通讯系统电源具有很好的功率性能，较长的寿命，以及一定的能量密度。美国陆军目前正在进行锂离子电容器用于单兵电源系统的测试。锂离子电容器的容量为200F，能量密度为13Wh/kg，目标寿命为1万循环（60C下）。HyLIC的性能完全可以满足此需求。

技术优势

1. 这种新型器件世界范围内首先研发出单体混合储能器件，相比传统电容器，能量密度有量级飞跃，同时实现了电源的功率、能量和寿命的平衡也是目前唯一满足汽车启停系统标准的电源，预计市场容量大于1000亿/年。

2. 尤为重要的是，这种混合型锂离子超级电容器具有极高的寿命。图2为按照美国陆军的测试标准，在60C下对混合型电容器进行寿命测试的结果。可以发现，经过3万次的测试，这种电源的容量保持率超过88%。远高于目前报道的其他电源的寿命。目前的测试已经超过6万循环，容量保持率超过83%，远远高于目前研究文献和世界各个公司类似产品的报道，是目前寿命最高的下一代锂离子电源器件。

3. 同国内外其他公司的功率型产品器件相比，本项目产品处于国内和国外领先地位，能量特性远超同类型企业的产品2倍以上，而循环寿命是铅酸蓄电池的200倍以上（锂离子电池的20倍以上），能够完全摆脱国内对于国外同等类型产品的依赖，这对于打破国外厂商技术垄断有着十分重要的意义。