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摘 要 由于技術原理不同，高功率儲能器件在能量密度、功率特性和持續(xù)釋能時間等方面差異較大，發(fā)展水平不一，所適用場景也不同。目前缺乏以單一技術特點為主線對典型高功率儲能器件進行系統(tǒng)性梳理，使不同受用者對高功率儲能器件有更加清晰的了解。本文概述了不同高功率儲能器件的原理及適用場景，并從能量密度、功率密度、高功率特性等方面對各類高功率器件進行對比；重點以持續(xù)釋能時間為軸線，對高功率儲能器件水平現(xiàn)狀進行分類論述，并對其未來發(fā)展方向進行總結討論；最后，對高功率儲能器件的發(fā)展作出展望。
關鍵詞 高功率儲能器件；金屬薄膜電容器；飛輪儲能；雙電層電容器；鋰離子電容器；鋰離子電池
隨著飛機、船舶、電動汽車等技術不斷提高，其所配備的儲能系統(tǒng)需求也不斷提高。其中典型需求就是快速存儲和釋放能量的能力，因此需使用高功率儲能器件以滿足大功率充放電需求。高功率儲能器件具有較高的功率密度，能夠在短時間內(nèi)快速充放電，并且兼具較長的使用壽命和較低的維護成本的特點，通常應用于快速存儲和釋放大體量能量的場景，比如供電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和動力系統(tǒng)中。
目前技術成熟且應用廣泛的高功率儲能器件主要有金屬薄膜電容器、飛輪、雙電層電容器、鋰離子電容器、高功率鋰二次電池等，各類高功率儲能器件性能特點不盡相同，應用場景也存在明顯差異。金屬薄膜電容器比功率可達175 MW/kg，但其能量密度較低，持續(xù)釋能時間短，適用于對穩(wěn)定性、可靠性要求較高的場合，在風電光伏、儲能等領域優(yōu)勢明顯；飛輪儲能比功率高，循環(huán)壽命長，但同樣能量密度較低，適合UPS、電力調(diào)頻、制動能量循環(huán)利用等領域；雙電層電容器擁有較高的比功率，但其儲能密度較低，適合秒級的供電使用，是目前市場上最為主流的高功率儲能產(chǎn)品；而鋰離子電容器結合了超級電容器和鋰離子電池的優(yōu)點，能量密度得到極大提高，適合分鐘級的供電需求。功率型鋰離子電池的比功率約為2.5 kW/kg、比能量約為200 Wh/kg，其儲能密度高、但功率密度較低，適合小時級應用需求，成為應用最為廣泛的化學電源之一。
圖1 高功率儲能器件的成品以及應用
綜上所述，各類高功率儲能器件在應用時，因其技術原理不同，各類高功率器件的高功率性能差異明顯，所適用的場景也存在明顯差別，例如金屬薄膜電容器件功率高，可適用于風電光伏、儲能領域；而高功率鋰二次電池則適用于航空航天、電動汽車領域。針對高功率儲能器件的應用需求，本文從高功率儲能器件的技術原理及特點、水平現(xiàn)狀等方面對其進行了系統(tǒng)的綜述，著重介紹了不同類型高功率儲能器件的技術路線，并結合高功率型儲能器件的市場化需求對其發(fā)展趨勢進行總結討論，為后續(xù)高功率儲能器件應用提供技術參考。
1 典型高功率儲能器件技術特點
1.1 金屬薄膜電容器
金屬薄膜電容器是一種以有機塑料薄膜為介質(厚度一般不超過15 μm)，在介質表面真空蒸鍍一層導電金屬層作為電極(厚度一般小于100 nm)，以卷繞方式制成的電容器。金屬薄膜電容器主要特點是高抗電強度(1～50 kV)，可實現(xiàn)微秒至毫秒內(nèi)超高脈沖功率(MW～GW級)輸出，在電容量穩(wěn)定性、體積、成本和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。
1.2 飛輪儲能
飛輪儲能技術是一種機械儲能技術。它利用電動機拖動飛輪轉子升速儲能，變電能為機械能，飛輪轉子拖動發(fā)電機降速發(fā)電，變機械能為電能。通過電能-機械能的雙向流動實現(xiàn)了大體量能量在短時間內(nèi)轉化。與其他儲能方式相比，飛輪儲能的電機效率可達85%以上，能量密度為10～30 Wh/kg，功率密度大于9 kW/kg，按照特性可將其分為飛輪儲能脈沖電源和常規(guī)飛輪儲能，飛輪儲能脈沖電源可實現(xiàn)毫秒內(nèi)兆瓦至吉瓦能量的快速輸出，而常規(guī)飛輪儲能則可實現(xiàn)在秒至分鐘時間內(nèi)百千瓦至兆瓦的輸出，在高功率特性和環(huán)保性上都具有較為顯著的優(yōu)勢。
1.3 超級電容器
超級電容器是近年來廣受關注的一種新型儲能器件，其兼具二次電池和靜電電容器的雙重特性，被認為是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的儲能電源，目前超級電容器已經(jīng)成為一大類儲能器件的總稱，按照儲能機理不同，可以分為雙電層電容器、氧化還原電容器以及混合型電容器(鋰離子電容器)。氧化還原電容器目前主要集中在技術開發(fā)階段，未實現(xiàn)大規(guī)模商用。而雙電層電容器和鋰離子電容器作為高功率儲能器件已實現(xiàn)廣泛應用。在此對雙電層電容器以及鋰離子電容器進行介紹，并根據(jù)其相應釋能時間對其水平現(xiàn)狀進行分類敘述。
1.3.1 雙電層電容器
雙電層電容器通過電解質離子的吸附和脫附來實現(xiàn)能量迅速儲存與釋放，應用最為廣泛的電極材料是以活性炭為代表的各種碳材料。雙電層電容器具備很高的功率密度(≥25 kW/kg)和循環(huán)壽命(＞500000次)，但其能量密度較低(僅為8~10 Wh/kg)。輸出功率可達百千瓦至兆瓦，適合毫秒至秒級的高功率使用需求，是目前市場上最為主流的電容器產(chǎn)品。
1.3.2 鋰離子電容器
鋰離子電容器同時具備雙電層電容器和鋰離子電池兩種性質，是一種正負極反應原理不同的非對稱電容器。通常情況下，正極采用電容型正極材料，通過物理作用充放電，而負極采用可吸附鋰離子的碳系材料，通過鋰的氧化還原反應充放電。鋰離子電容器具有能量密度高(60～90 Wh/kg)、功率密度高(≥20 kW/kg)、快速充放電能力強(長期5 C，短期20 C)的優(yōu)勢，其循環(huán)壽命在50000次以上，適合分鐘級百千瓦至兆瓦功率的使用需求，極大地拓展了電容器的應用場景。
1.4 高功率鋰離子電池
鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解液等構成。常規(guī)的鋰離子電池能量密度較高(可達300 Wh/kg)，但由于受電池內(nèi)阻和極化的影響，電池在高功率條件下電壓衰降很快，不能有效發(fā)揮其儲能作用。目前高功率鋰離子電池能量密度約為100 Wh/kg，功率密度>2.5 kW/kg，可在小時內(nèi)快速持續(xù)輸出千瓦至兆瓦級的能量。其中，磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等材料憑借高能量密度、低成本、穩(wěn)定的充放電平臺、環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)勢，成為高功率鋰離子電池的首選材料。各類高功率儲能器件特性參數(shù)如表1所示。
表1 各類高功率儲能器件特性參數(shù)
2 高功率儲能器件水平現(xiàn)狀
本文以持續(xù)釋能時間為軸線，將典型高功率儲能器件分為四類，即以金屬薄膜電容器為代表的微秒級至毫秒級高功率儲能器件；以飛輪儲能脈沖電源和雙電層電容器為代表的毫秒至秒級高功率儲能器件；以常規(guī)飛輪儲能和鋰離子電容器為代表的分鐘級高功率儲能器件；以高功率鋰離子電池為代表的分鐘級至小時級高功率儲能器件，并對這些高功率儲能器件水平現(xiàn)狀和目前存在的問題進行綜述。所列舉的典型高功率儲能器件的性能參數(shù)對比見圖2。
圖2 各高功率儲能器件性能對比
2.1 微秒至毫秒級儲能器件——金屬薄膜電容器
早在2004年，德國脈沖功率中心Rheinmetal和Vishay研發(fā)了兩種高儲能密度電容器，一種是具有中等載流能力、儲能密度為2 J/cm3的高儲能密度電容器；另一種是具有大載流能力、儲能密度為1.7 J/cm3的高儲能密度電容器。隨著介質材料能量密度的提高，器件和模組放電效率和穩(wěn)定性的提升，金屬薄膜電容器的儲能密度、壽命和可靠性等也得到明顯的提高。金屬薄膜電容器廣泛應用于電力電容器、UPS等領域。隨著新能源技術的發(fā)展，金屬薄膜電容器的應用也逐漸擴展到風電、太陽能發(fā)電、智能電網(wǎng)等領域。
圖3 (a) 金屬薄膜電容器的結構；(b) 金屬薄膜電容器的X射線照片；(c) 結構設計改進(左)，傳統(tǒng)電極設計(右)
美國GA公司在多方合作下，其金屬薄膜電容器技術在十年里得到了長足進步。其儲能密度從1999年的0.7 J/cm3提高到2010年的3 J/cm3，并計劃在未來達到10.0 J/cm3的水平，處于行業(yè)領先地位。該公司現(xiàn)有的高儲能密度電容器(CMX型)有三種，分別為50 kJ、100 kJ和255 kJ型，其儲能密度為2.4~2.7 J/cm3不等，容量分別為2310 μF、4600 μF和4600 μF，充放電壽命在1000次左右。另外GA公司最新產(chǎn)品儲能密度為2 J/cm3，能量為255 kJ，質量為140 kg，充放電壽命可達5萬次。
國內(nèi)高儲能密度金屬薄膜電容器，儲能密度只能達到2.5 J/cm3左右，當電容器在儲能密度2.5 J/cm3以上工作時，電容器使用壽命較短，且重頻特性差。
目前，國內(nèi)金屬薄膜電容器技術水平與國外相比差距較大，主要體現(xiàn)在：①國內(nèi)高性能金屬薄膜電容器產(chǎn)品大多選用進口的聚丙烯薄膜，存在自主可控問題；②金屬薄膜電容器加工工藝和設備條件較差，這些設備中，關鍵設備(如拉膜設備、鍍膜設備、薄膜分切設備、卷繞設備等)大量依賴進口；③儲能密度低、體積和重量過大。國內(nèi)在研實用化樣機為2.5 J/cm3，在研樣機達到4.0 J/cm3，國外在用產(chǎn)品在“十三五”初期為3.0 J/cm3，在研原理樣機達到10 J/cm3左右。
2.2 毫秒至秒級儲能器件——飛輪儲能脈沖電源、雙電層電容器
可實現(xiàn)毫秒至秒級供電的器件主要為飛輪儲能脈沖電源和雙電層電容器。
2.2.1 功率型飛輪儲能
早在20世紀50年代，飛輪儲能技術就被提出可以運用于汽車的動力系統(tǒng)中。起初飛輪儲能技術發(fā)展相對緩慢，進入20世紀90年代以后，隨著高強度復合材料的應用、電力電子技術的發(fā)展、新型高性能電機的發(fā)展以及磁懸浮軸承技術的不斷進步，儲能飛輪系統(tǒng)得到了廣泛關注。
國外在補償脈沖交流發(fā)電機(compensated pulsed alternator，CPA)和磁懸浮飛輪儲能技術等方面開展研究較早，并分別取得了一系列工程上的突破。CPA第一臺樣機于1980年誕生于德克薩斯綜合大學電機研究實驗中心(UT-CEM)，其轉速范圍2450～4840 r/min，先后對并聯(lián)氙氣閃光燈負載成功地進行13次放電，以4800 r/min，向負載發(fā)出了峰值電流30.2 kA，脈寬1.3 ms、能量139.3 kJ的單個電流脈沖。20世紀90年代，美國NASA對應用于空間站的姿態(tài)控制及儲能集成一體飛輪開展了大量研究 。其研究的樣機G1轉速達到了60000 r/min，G2飛輪儲能模塊最大轉速達到71900 r/min。該中心正致力于轉子邊緣線速度達1100 m/s，儲能密度(比能量)25 Wh/kg的G3模塊的研究。1998年美國對用于關鍵技術驗證的縮比模型脈沖發(fā)電機進行了演示試驗。該樣機在轉速12000 r/min下，輸出峰值電流900 kA，脈沖寬度為4 ms，脈沖功率等級超過2 GW。此外，美國馬里蘭大學、勞倫斯國家實驗室、休斯頓大學、阿貢國家實驗室、美國UT-CEM、美國理想能源公司、美國波音公司等開展了飛輪材料的開發(fā)，推動了飛輪儲能技術的發(fā)展。
圖4 (a) 波音100 kW / 5 kWh UPS飛輪系統(tǒng)設計；(b) 復合材料飛輪結構；(c) NASA的G2模塊飛輪；(d) 250 kW/25kWh 金屬飛輪系統(tǒng)設計
國內(nèi)對于飛輪儲能技術的研發(fā)較晚，對飛輪儲能技術的關注始于20世紀80年代，到90年代才開始關鍵技術的研究。起步階段，國內(nèi)研發(fā)的飛輪儲能系統(tǒng)容量普遍較小，轉速最高為43800 r/min，儲能量不足1 kWh。2010年以后，國內(nèi)高校和科研機構采用先進的磁懸浮技術和復合材料技術，進一步提高了飛輪轉子的轉速和儲能量，功率也有較大的提升。
目前飛輪儲能體積和重量仍是限制其應用的主要原因。盡管復合材料飛輪的理論儲能密度高達200～400 Wh/kg，但考慮到制造工藝、軸系結構設計、旋轉試驗等復雜制約因素，在實驗或工程中，安全穩(wěn)定運行的復合材料飛輪的儲能密度通常不高于100 Wh/kg。文獻調(diào)研表明，單個復合材料飛輪總設計儲能能量0.3～130 kWh。國內(nèi)理論設計研究水平與國外相近，但在實驗研究方面，差距較大，離工程化應用還有相當?shù)木嚯x。
2.2.2 雙電層電容器
作為一種新型儲能器件，彌補了傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的性能空白，現(xiàn)在已經(jīng)成為動力電源和電子元器件中不可或缺的部件之一。目前，雙電層電容器產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外都處于快速發(fā)展期，得到了眾多投資機構的關注和重視，為其發(fā)展提供了豐厚的資金支持和寬廣的發(fā)展空間。
20世紀70年代末，日本NEC和Panasonic等公司先后推出了商業(yè)化的雙電層電容器產(chǎn)品，主要用于電子電路和電氣設備等。90年代起，雙電層電容器的研究熱點轉向高能量型和大功率型產(chǎn)品。Maxwell公司生產(chǎn)的3000F雙層電容器已經(jīng)成為國內(nèi)外大容量雙層電容器的設計模板，在電容器市場居于開拓者和領導者地位。日本Chemi-con公司也是主要的雙電層電容器生產(chǎn)企業(yè)之一，產(chǎn)品主要集中于大容量雙電層電容器，具有較高的技術水平。其所使用的電解液體系(PC系電解液)與國際主流(AN系電解液)不同，因此日本Chemi-con公司大容量雙電層電容器在日本以外的市場并不多見。在高比功率特性超級電容研發(fā)方面，烏克蘭Yuansko公司通過正負極非對稱設計、高耐壓高電導率電解液設計、高功率電極制造技術等，將時間常數(shù)降低到0.2 s左右。其產(chǎn)品比功率已達到78 kW/kg(計算值)，主要應用方向為脈沖電源。
國內(nèi)至20世紀90年代中期，小容量型雙電層電容器實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，到了20世紀90年代末期，雙電層電容器產(chǎn)業(yè)開始加速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批電容器企業(yè)。烯晶碳能電子科技依托干法電極技術，低阻結構技術，主推3 V產(chǎn)品，其技術水平較高。中車新能源研發(fā)的低內(nèi)阻、大功率雙層電容器已經(jīng)應用于相關技術試驗。
目前雙電層電容器雖然功率密度高、循環(huán)壽命長，但能量密度較低。主要由于電解液多采用水系與有機體系，水的低分解電壓(1.23 V)極大限制了電容器能量密度，而有機電解液的離子電導率要低得多，內(nèi)阻更大，限制了其功率密度。
圖5 典型高功率儲能器件及充放電曲線：(a) Maxwell公司生產(chǎn)的3000F雙層電容器；(b) FDK公司開發(fā)的 “EneCapTen”；(c) 東芝和SAFT的高功率鋰離子電池
2.3 秒級至分鐘儲能器件——常規(guī)儲能飛輪、鋰離子電容器
可實現(xiàn)秒至分鐘級供電的器件主要為常規(guī)儲能飛輪和鋰離子電容器。
2.3.1 能量型飛輪儲能
隨著飛輪儲能技術的不斷發(fā)展，飛輪儲能技術已經(jīng)進入了商業(yè)化階段，應用場景主要為車用、UPS不間斷電源等。為了滿足電網(wǎng)領域調(diào)峰調(diào)頻的需求，飛輪儲能系統(tǒng)的轉速、功率和儲能量均有了較大的提升。美國的Beacon Power公司研制一系列飛輪儲能系列產(chǎn)品。其系列產(chǎn)品的額定功率為5~250 kW、最高工作轉速為30000 r/min、最高線速度為700 m/s、滿功率運行時長可從15 s到4 min。通過將多臺飛輪儲能系統(tǒng)單機組合成20 MW的飛輪儲能電站，應用于電網(wǎng)電調(diào)頻。美國的得州大學奧斯汀機電中心在飛輪儲能技術方面也開展了大量的研究。其為聯(lián)邦鐵路局研制的用于高級火車頭推進系統(tǒng)的大型磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)，轉子轉速達15000 r/min，儲能達480 MJ，可以2 MW的功率放電，為高鐵機車頭提供不間斷動力。國內(nèi)方面，沈陽微控開發(fā)的REGEN系列產(chǎn)品專門針對城市軌道交通場景，可在15 s內(nèi)完全充/放電，每天可循環(huán)1000次，壽命可達20年。奇峰聚能開發(fā)的飛輪，儲能量20 kWh，充電效率可達92%，放電時間達到180 s，循環(huán)次數(shù)可超過1000萬次。
2.3.2 鋰離子電容器
鋰離子電容器的比能量和比功率主要取決于其所使用的電極材料，因此，探尋高性能的電極材料，是推進鋰離子電容器應用的關鍵。在鋰離子電容器領域，技術路線較多，主要包括正極錳酸鋰/負極活性炭(AC)、正極(AC)/負極LTO、正極AC/負極石墨、正極AC/負極材料硬碳(HC)的體系等。現(xiàn)階段性能最突出、產(chǎn)業(yè)化程度最高的是以AC/HC為體系的鋰離子電容器。目前鋰離子電容器研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主要集中在日本、韓國等國家。日本太陽誘電公司開發(fā)的鋰離子電容器，30秒鐘就能完成充電。FDK公司開發(fā)的耐高溫鋰離子電容器“EneCapTen”，在60 ℃高溫下的最大電壓為3.6 V，使用超過4000小時，容量也幾乎不會下降，同時改善了自放電特性，4000小時電壓也幾乎不會下降。NEC東金公司發(fā)布了靜電容量達1000 F的試制品。日立化成公司開發(fā)出靜電容量達900 F、直徑為40 mm的圓柱形電容器。日本JM Energy公司和太陽誘電公司的鋰離子電容器均已建成多條生產(chǎn)線，產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和應用。
國內(nèi)鋰離子電容器技術起步較晚。中國科學院青島生物能源與過程研究所開發(fā)的鋰離子電容器單體，容量可達780 F，在100 C的高倍率下循環(huán)10萬次，容量保持率在95.7%以上。目前國內(nèi)生產(chǎn)鋰離子電容器已經(jīng)實現(xiàn)應用。南通江海技術水平達到國際先進水平，產(chǎn)品已應用在軌道交通、電動汽車等領域。上海奧威生產(chǎn)的高比能量混合型電容器已經(jīng)應用于純電動公交車、軌道交通方面。
目前鋰離子電容器主要面臨隔膜材料依賴進口，成本難以控制的問題，由于隔膜生產(chǎn)難度大，對技術和設備要求高，目前世界范圍內(nèi)鋰離子電容器紙隔膜主要以進口日本NKK隔膜產(chǎn)品為主。
2.4 分鐘至小時級儲能器件——高功率鋰離子電池
磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等材料憑借高能量密度、低成本、穩(wěn)定的充放電平臺、環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)勢，成為高功率鋰離子電池的首選材料。
鈦酸鋰電池是一種用鈦酸鋰材料作負極的鋰離子電池，可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4 V或1.9 V的鋰離子二次電池。鈦酸鋰電池具有寬溫性能良好、安全穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長、快充性能優(yōu)異等特點。
國際上鈦酸鋰電池的開發(fā)方面，日本東芝公司領先全球。東芝SCiB鈦酸鋰電池在滿足容量大、能量密度高需求的同時，還具有安全性高、壽命長、低溫性能好、有效SOC范圍大、快速充電、高輸入輸出功率等優(yōu)點，可應用于船舶、電動汽車、固定式/工業(yè)用電池等場景。在較為常用的20 Ah電池領域，東芝現(xiàn)有20 Ah鈦酸鋰電池，能量密度達到89 Wh/kg，可實現(xiàn)約20 C放電，25 C充電。新發(fā)布的20Ah-HP電池，充放電倍率可提高至40 C，但能量密度有所降低，為84 Wh/kg。
目前國內(nèi)主要高功率鈦酸鋰電池產(chǎn)品有珠海銀隆的LTO88200-235F/28Ah、奧鈦納米70Ah-CELL、湖州微宏動力的LTO-10Ah、盟固利的高鐵電池、四川國創(chuàng)成的LTT-90。其中，國創(chuàng)成生產(chǎn)的鈦酸鋰電池，能量密度為90 Wh/kg，持續(xù)放電倍率高達30 C，性能較為優(yōu)異。珠海銀隆、奧鈦納米、微宏動力、盟固利等公司在民用設備如公交車、高鐵等儲能系統(tǒng)上，擁有自身的優(yōu)勢。
磷酸鐵鋰由于其穩(wěn)定性好、能量密度高成為應用最為廣泛的鋰離子電池正極材料之一。日本三井造船生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池可實現(xiàn)30 C倍率放電，15 C充電，在10 C充放電條件下循環(huán)500次，容量保持90%以上；法國的SAFT和美國A123公司的磷酸鐵鋰電池，脈沖倍率均可高達100 C，SAFT公司的功率型電池開發(fā)處于領先水平，其2018年公布的電池比功率已經(jīng)可以達到5000 W/kg以上。
目前國內(nèi)從事磷酸鐵鋰離子電池研制的單位近百家，主要包括比亞迪、寧德時代、力神、比克、合肥國軒、中航鋰電、杭州萬向等。這些企業(yè)制造的功率型和能量型磷酸鐵鋰離子電池主要應用于電動汽車市場，比能量為90~120 Wh/kg，比功率從2000 W/kg 發(fā)展到4000 W/kg。
鈦酸鋰離子電池作為新興的高功率鋰離子電池類型，其發(fā)展勢頭非常迅猛。但鈦酸鋰性能已逼近理論極限，未來此型鋰電池的功率、能量密度等核心性能指標“難提升”。在儲能系統(tǒng)集成度短時間內(nèi)難以大幅度增加的情況下，鈦酸鋰電池較難滿足未來需求。磷酸鐵鋰材料的不足主要體現(xiàn)在導電性差，鋰離子擴散速度慢，振實密度較低，影響了用其制作的電池體積比能量的提升。磷酸鐵鋰的低溫性能較差，低溫容量保持率低。
3 發(fā)展趨勢
3.1 金屬薄膜電容器
國內(nèi)需要加大高儲能密度金屬薄膜電容器領域技術攻關，開展更高儲能密度薄膜電容器技術攻關和探索研究，縮小與國際先進水平的差距。主要包括以下方面：①提高介質材料的介電常數(shù)和擊穿強度，降低介質材料的損耗角正切和厚度，增加薄膜電容器的面積，以達到更高的電容量；②提高介質材料的擊穿強度和均勻性，降低介質材料的厚度和缺陷密度，以達到更高的工作電壓；③提高薄膜電容器的電容量和工作電壓，降低薄膜電容器的體積和重量，以達到更高的能量密度；④提高薄膜電容器的充放電速度和效率，降低薄膜電容器的內(nèi)阻和損耗，以達到更高的功率密度。
3.2 飛輪儲能技術
高能量密度、高功率密度、小型化、輕量化、低成本是飛輪系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，針對上述目標，飛輪技術發(fā)展趨勢主要包括以下方面：①為實現(xiàn)高比能量要求，飛輪體材料需發(fā)展高比強度復合材料技術、軸承支承系統(tǒng)也需采用高效磁軸承支承技術，除了使用多環(huán)組外，還設計了混雜材料、梯度材料和纖維預張緊纖維纏繞來提高儲能密度。二維或三維強化是復合飛輪材料設計的另一個途徑；②針對超高功率能量需求，需發(fā)展高速磁通壓縮-補償屏蔽工作機制的電機技術，以提高功率密度；③為應對高安全和長壽命的應用需求，要求飛輪儲能系統(tǒng)具有高的安全性和可靠性，同時放電次數(shù)達到100000次以上且深度放電無衰減。如何提高飛輪儲能單機運行的穩(wěn)定性，優(yōu)化飛輪陣列的控制策略，是未來發(fā)展的重點；④由當前單體集中應用發(fā)展為多單元、陣列分布式應用，提高布置的靈活性和可靠性。
3.3 雙電層電容器
根據(jù)國內(nèi)外相關文獻報道，雙電層電容器的比能量目前一般在5~10 Wh/kg，比功率在5~10 kW/kg，工作電壓在2.5~3.5 V。為滿足未來需求，其技術發(fā)展方向主要包括以下幾個方面：①通過優(yōu)化電極材料、電解質和結構設計，增加雙電層電容器的儲能密度和功率密度；②通過改善制造工藝、增加保護措施和監(jiān)測手段，降低雙電層電容器的衰減速率和故障率；③通過開發(fā)新型的封裝形式、連接方式和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)雙電層電容器與其他元件或設備的有效配合和協(xié)調(diào)。
3.4 鋰離子電容器
目前，鋰離子電容器的能量密度一般在20~40 Wh/kg之間，功率密度一般在1~10 kW/kg，工作電壓一般在2.7~4.0 V，循環(huán)壽命一般在10萬~50萬次。為應對未來需求，鋰離子電容器需要進一步提高能量密度和功率密度。而鋰離子電容器比能量與比功率主要取決于電極材料高比容、高電壓、低內(nèi)阻等關鍵參數(shù)。通過設計合成出高孔隙率高吸液性能紙隔膜材料、高比容碳基與正極新型活性材料復合電極和耐高壓高離子電導的新型電解液，在此基礎上進一步優(yōu)化材料改性技術并實現(xiàn)更高性能關鍵材料與鋰離子電容器的低成本量產(chǎn)將是未來的發(fā)展趨勢。
3.5 鋰離子電池
高功率鈦酸鋰電池目前主要存在的問題是能量密度較低，低溫性能較差，這是由于鈦酸鋰材料的能量密度較低。因此發(fā)展新型電極材料體系，從理論上提升電池性能是解決鈦酸鋰電池性能不足的根本辦法，鈦鈮氧化物是目前最有希望能代替鈦酸鋰成為下一代安全型高功率電池的負極材料；而對于低溫性能下降的問題，需要通過隔膜、電極、電解液設計，提升電池倍率性能。
針對磷酸鐵鋰電池高功率性能的提升，通過解決制約磷酸鐵鋰離子電池倍率的技術問題，實現(xiàn)高倍率磷酸鐵鋰電池。主要包括：①使用高電導的電極材料是改善鋰離子電池倍率放電的方法之一，石墨烯能夠改進鋰離子電池正負極材料的電化學性能，進而極大地改善鋰離子電池的大電流充放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。②兼顧Li+快速遷移和寬溫特性的電解質研究及應用，保證電池在大電流下的穩(wěn)定和安全性。
4 總結與展望
高功率儲能器件憑借高功率和高能量特性在儲能系統(tǒng)和動力系統(tǒng)中應用廣泛。目前典型的高功率儲能器件包括金屬薄膜電容器、飛輪儲能、雙電層電容器、鋰離子電容器、高功率鋰離子電池等。本文對其技術原理、功率特性等方面進行簡述及對比，并以持續(xù)釋能時間為主線，介紹了當前高功率儲能器件的水平現(xiàn)狀。
為了進一步提升能量密度和功率密度，高功率儲能器件技術需從以下方面進行提升：①國產(chǎn)材料、設備的自主可控性。例如，在雙電層電容器方面，活性炭材料、負極石墨/硬碳材料、隔膜等材料還依賴于進口，亟待國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界補強；②突破傳統(tǒng)材料的性能極限，攻克關鍵材料的低成本量產(chǎn)技術，一些高功率儲能器件受限于材料，無法實現(xiàn)更高的能量密度和功率密度，例如高功功率鈦酸鋰電池，需開發(fā)新的具有高容量和高功率的材料體系，實現(xiàn)能量密度和高功率特性的提高。此外，需要在理論上超越傳統(tǒng)的化學體系及反應機理限制，超越傳統(tǒng)材料的范疇，是實現(xiàn)新型、高效儲能器件的可持續(xù)發(fā)展的關鍵。
隨著新能源、新行業(yè)的發(fā)展，高功率儲能器件具備廣闊的發(fā)展空間，在高端設備、民用裝備領域具有廣闊的需求。對比美日一些技術強國，雖然我們還存在一定的差距。但隨著近年來材料的發(fā)展與相關技術應用項目的快速推進，一定會實現(xiàn)我國在高功率儲能器件技術的跨越式發(fā)展。
