二次寿命电池储能系统的经济最优功率管理

《Journal of Energy Storage》：Economic optimal power management of second-life battery energy storage systems

采用电磁热解法快速制备出自海藻衍生的高性能多孔碳材料，其比表面积达2167.54 m2/g，组装的对称超级电容器能量密度64.53 Wh/kg，功率密度36,000 W/kg，有效解决传统碳化-活化工艺能耗高、污染大、产率低等问题。

　　在当前快速发展的新能源汽车和便携式电子设备市场中，对低成本、高效能的储能装置的需求急剧上升。超级电容器（Supercapacitors, SCs）因其能够快速充放电的特性，受到了广泛关注。传统的超级电容器主要采用电双层电容器（Electric Double Layer Capacitors, EDLCs）的形式，其核心组件是多孔碳电极和有机电解液。EDLCs 具备高功率密度、长使用寿命以及宽泛的工作温度范围等优势，但同时也面临着一些固有的挑战，例如较低的比能量（通常仅为 1–5 Wh kg?1，仅为锂离子电池的 1/50）和较高的每千瓦时成本（约为 20,000 美元，是锂离子电池的 20 倍）。这些限制成为 EDLCs 商业化应用的主要障碍，因此，如何提升多孔碳材料的储能性能并降低生产成本，成为当前研究的重点。

多孔碳材料的制备通常依赖于传统的“碳化-活化”工艺。然而，这一方法存在诸多缺点，如反应时间较长（通常为 2 至 20 小时）、产率较低（仅 5–30%）、会产生有害副产物（如 CO 和 NO?）以及需要消耗大量能源和保护气体（如氮气和氩气）。这些因素不仅增加了多孔碳的生产成本，也对环境造成了负担。因此，开发一种高效、环保且适用于工业生产的多孔碳制备方法，对于推动超级电容器技术的商业化具有重要意义。

在这一背景下，研究者们提出了电磁热解（Electromagnetic Pyrolysis, EMP）技术，以实现多孔碳材料的快速制备。EMP 技术通过在封闭的高压环境中进行超快速加热和淬火，能够显著提高碳前驱体与化学活化剂（如 KOH）以及物理活化剂（如 CO? 和 H?O）之间的相互作用。这种新型的制备方法不仅缩短了生产时间，还提高了产率，并有效减少了有害气体的排放。此外，EMP 技术还能够实现氮、氧等杂原子的共掺杂，从而改善材料的润湿性和赝电容性能，进一步提升其储能能力。

本研究首次采用 EMP 技术，以低成本的生物质废弃物——海藻（Enteromorpha）为原料，成功制备了具有高比表面积（2167.54 m2 g?1）和分级多孔结构的氮、氧共掺杂多孔碳材料（EMP-AC）。与传统的热解（Thermal Pyrolysis, TP）方法相比，EMP 技术在多个方面展现出显著优势。首先，EMP 技术能够在短短 5 分钟内完成整个制备过程，极大地提高了生产效率。其次，该方法在封闭的高压环境下进行，能够有效控制反应条件，减少能量消耗和副产物排放。此外，EMP-AC 材料在电化学性能方面表现出色，其比电容达到 275.3 F g?1（在 2 A g?1 和 6 M KOH 条件下），并且在 EMIMBF? 离子液体中，组装的对称超级电容器表现出卓越的比能量（64.53 Wh kg?1）和超高比功率（36,000 W kg?1）。这些性能指标远超目前市场上已有的多孔碳基超级电容器，显示出 EMP 技术在提升储能材料性能方面的巨大潜力。

Enteromorpha 作为一种常见的海藻，其在水体富营养化条件下大量生长，这不仅对海洋生态系统造成威胁，还为生物质废弃物的资源化利用提供了契机。Enteromorpha 含有丰富的钙、钠盐和蛋白质，这些成分不仅能够作为天然的硬模板，用于构建分级多孔结构，还能够实现氮、氧的共掺杂，从而优化材料的电化学性能。这一特性使得 EMP 技术在制备高性能多孔碳材料时具有独特的优势，不仅降低了对额外化学试剂的依赖，还减少了生产过程中的环境污染。

通过 EMP 技术制备的 EMP-AC 材料展现出显著的物理和化学特性。首先，其具有高比表面积和良好的孔结构分布，这为离子在电极表面的吸附和快速传输提供了有利条件。其次，EMP-AC 材料在离子液体 EMIMBF? 中表现出优异的电化学性能，其比能量和比功率的提升主要得益于材料的高比表面积和优化的孔结构。此外，EMP 技术能够在短时间内完成加热和淬火过程，从而避免了传统方法中可能发生的过度活化或结构破坏问题，确保了材料的稳定性和可重复性。

本研究的成果表明，EMP 技术不仅能够有效解决传统“碳化-活化”工艺中存在的诸多问题，还为高性能多孔碳材料的绿色制备提供了新的思路。通过减少生产时间、降低能耗和减少有害物质排放，EMP 技术有望成为未来储能材料制备的主流方法之一。同时，该技术在处理生物质废弃物方面也具有重要的应用价值，能够为环境保护和资源循环利用提供新的解决方案。

在实验方法方面，本研究采用了标准化的材料制备流程，所有实验化学品均为分析纯，由 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. 提供。材料的形貌分析通过在不锈钢管炉中进行简单的退火处理完成。与传统的开放陶瓷舟中的慢速热解相比，EMP 技术在封闭的高压环境中进行，显著改变了反应条件，从而影响了多孔碳材料的形成过程。这种差异使得 EMP-AC 材料在结构和性能上与 TP-AC 材料存在明显区别。

在对 EMP 技术与传统热解技术的对比研究中，研究者发现 EMP 技术能够有效提高多孔碳材料的比表面积和孔隙率，同时还能实现氮、氧的共掺杂。这些改进显著提升了材料的电化学性能，使其在高电流密度下仍能保持良好的电容保持率。此外，EMP 技术的高效性使其在大规模生产中具有更高的可行性，能够满足未来储能技术对高产量和低成本的要求。

本研究的结论表明，EMP 技术在多孔碳材料的制备中具有广阔的应用前景。它不仅能够显著提升材料的比电容和比能量，还能够减少生产过程中的能耗和污染，为实现绿色、可持续的储能材料制备提供了新的技术路径。随着对 EMP 技术的进一步研究和优化，其在实际工业生产中的应用有望得到更广泛的推广，从而推动超级电容器技术的进一步发展。

总体而言，EMP 技术的引入为多孔碳材料的制备带来了革命性的变化。它不仅克服了传统方法在时间、成本和环境方面的不足，还为提升储能性能提供了新的可能性。通过合理设计和优化 EMP 的工艺参数，未来有望实现更高性能的多孔碳材料，从而推动超级电容器在新能源汽车、智能电网、可穿戴设备等领域的广泛应用。同时，EMP 技术在处理生物质废弃物方面的潜力也为可持续发展提供了新的思路。