中國儲能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，烯晶碳能電子科技無錫有限公司技術(shù)總監(jiān)孫偉在“儲能電站暨微電網(wǎng)專場”，以《GMCC超級電容器儲能在新能源發(fā)展中的應(yīng)用》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
孫偉：大家下午好，我是烯晶碳能的孫偉，我們公司是做超級電容器的，很高興參加這個大會，大家也做電力系統(tǒng)的，有做BMS的，也做電池的，今天我想介紹一下超級電容。
因為在和朋友交流的過程中，尤其在儲能領(lǐng)域，大家對超級電容會有一些疑問，借此機會我想給大家介紹一下什么是真正的超級電容，針對疑問也為大家做一個解答。
我今天匯報分為四個部分，第一，簡單介紹一下我們公司，一個什么是超級電容，和對超級電容質(zhì)疑的解答。烯晶碳能2010年成立，位于江蘇無錫，我們業(yè)務(wù)范圍主要做的是超級電容，從電容電極到電容產(chǎn)品，覆蓋了從材料到儲能系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈，應(yīng)用領(lǐng)域主要是新能源，新能源汽車，智能電網(wǎng)和軍工領(lǐng)域。6年來我們也通過了TS16549包括ISO9000、14000、18000的質(zhì)量體系，也通過了201所的強制性檢測，也有30個發(fā)明專利申請，其中17項已經(jīng)授權(quán)。
下面我從原理上介紹一下什么是超級電容，目前我們講的超級電容主要是指的EDLC，利用電極與電解液溶液的固液界面影響的雙電層儲存電何，利用的是靜電吸附原理。這是一個斯特恩的雙電層模型，是一個固體的電子層加上一個離子的液體層，這個層的厚度就相當于離子的半徑，所以很薄。我們超級電容里面用的材料，是每克展開可以上千平方米的材料，所以這個A很大。從容量公式我們可以算出超級電容的容量很大，可以做到法拉級別，幾百法拉或者上萬法拉的電容。
中間是超級電容的結(jié)構(gòu)，超級電容的原理基于雙電層，它是兩個電極，一個正極一個負極加上兩個隔膜，這兩個電極分別是兩個雙電層，簡單來講超級電容是正極的一個雙電層電容和負級的雙電層電容串聯(lián)起來的，置于一個密封的客體中的結(jié)構(gòu)。
這是雙電層電容的電化學(xué)體系和等效電路，它可以等效為一個不同時間常數(shù)的RC回路的串聯(lián)的階梯網(wǎng)絡(luò)，由于它是多孔的結(jié)構(gòu)，有的孔大可能時間常數(shù)比較小，有的孔小，時間常數(shù)比較大，一個微孔的結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，這是超級電容結(jié)構(gòu)，剛才講的正極極流體、負極及流體，搜集電核作用。正極活性材料、負極活性材料，這里面都是碳，當然了我們后面會有一些攙氮的或者導(dǎo)電高分子的材料。隔膜是一個電子絕緣，離子電導(dǎo)的多孔膜結(jié)構(gòu)。
這是一個超級電容EDLC的頻率特性，上面那個圖，超級電容是一個卷繞的結(jié)構(gòu)，在沒有注入電解液之間，它是一個以隔膜為電解質(zhì)的傳統(tǒng)的電容器，它這個值是在400多納，電極的單層的面積大概是一個平方米，針對三千法的電容來講。
注液之后，由于電解液的浸潤，它的比表面積發(fā)生了很大的變化，在一萬赫茲的時候，它的容量提升了三個數(shù)量級，當頻率再降低時，它的離子擴散有足夠的時間，在0.1赫茲我給它10秒鐘，離子擴散時間是足夠的。這個情況下超級電容的容量又升了好幾個數(shù)量級。
可以簡單來講，注液之后超級電容變成了兩個雙電層，也稱之為以界面勢磊為電介質(zhì)受擴散控制的雙電層的結(jié)構(gòu)。
這是大家眼中的超級電容器儲能特性，它是一個功率型器件，處于電容和電池之間，具有中等的能量密度和功率密度。但是其實在功率密度上，和能量密度上，距離傳統(tǒng)的電解電容和電力電容，它也酉空間，它的頻率在10的4次方赫茲下，沒有濾波能力，濾波很小，我們也正在開發(fā)一種電容，看看是不是能到毫秒級，或者說能做濾波的應(yīng)用。
另外一個是提升超級電容器的能量密度，這個是大家一直追求的，希望擴展它的應(yīng)用時間，目前超級電容的時間常數(shù)以3000法超級電容為例，時間常數(shù)在0.5秒到1秒左右，這說明什么事兒呢？這個電容充滿電短路，經(jīng)過3個時間常數(shù)，經(jīng)過2秒到3秒，這個電就放沒了，所以它能具備大功率的放電，它可以被短路。。
我們講的很多電池具有大倍率充電，這里面電池如果等效成一個電容的話，它應(yīng)該也有個時間常數(shù)，這個常數(shù)在分鐘級別，分鐘級別的常數(shù)電池做的是小時級別，甚至幾十分鐘級別的，把能量從前一個時間和空間移到下一個時間空間，超級電容做的是秒級到分鐘級的事情。
右邊就是超級電容的優(yōu)勢了，有人可能會問超級電容是不是真的這樣，這四點我是我遇到的大家對超級電容質(zhì)疑的地方，第一個能量密度太低，但是理論上提升空間比較大。第二個問題，超級電容真的能循環(huán)100萬次嗎？這個沒問題，單體實驗我們在家里做過100萬次，充放電循環(huán)，81秒是一個充放電循環(huán)，我們做了三年多的時間。但是對于整個系統(tǒng)來講，安全可靠性確實有很大的影響，它不光是電容器件本身。另外一個，很多人覺得超級電容漏電很快，尤其在低壓，比如我用超級電容啟動車，和鉛酸電池并聯(lián)，會不會把電池的電拉光了？
另外一個價格太高了，用不起。
針對第一個問題，超級電容的能量密度，它的能量是1/2CV的平方，按這是很簡單的。提升能量密度也很簡單，提升C，當然在同樣的體積或者同樣的重量下，提升C、提升V。提升C的方式，剛才這個公式也介紹了，怎么用呢？提升比表面積的利用率，提升相對徑限常數(shù)，減小半徑，但是這個半徑首先于離子很難減小了，那我們做的就是怎么樣提升比表面積。超級電容是一個電極材料和電解液材料相互配合的，從C的角度來講，可用的比表面積必須和電解液中的電解質(zhì)、離子的庫存量具有正相關(guān)，而且電解液離子庫存量應(yīng)該大于兩倍的可用比表面積。另外，電解液所具有的極性，或者溶媒的極性，要和我的電極材料，碳材料表面官能團具有類似于相似相溶的特性，才不至于相互排斥。第三個，我的孔粒分布和離子分布，因為超級電容器的電極材料是有很多孔，一個材料打開那么多比表面積，多孔結(jié)構(gòu)這個離子是不是進的去，如果孔太大了，空間利用率太低，孔太小了離子進不去。按照我們市場用的活性炭，比如說這個材料是1600平方米每克，真正按照容量來算只有幾百，可能利用率只有15%左右。
另外孔容包括粒徑匹配和電解液濃度，這個就有很多關(guān)系了。
這是我們在提升材料克容量的工作，第一個對活性炭進行改性，改變它的界面性質(zhì)。因為活性炭也具有類似于石墨的特性，我們利用石墨硒的分子結(jié)構(gòu)，石墨硒是一種結(jié)構(gòu)，不是一種材料，它是一種具有蜂窩狀的碳的6個原子的一種單層結(jié)構(gòu)，我們把石墨硒結(jié)構(gòu)科學(xué)引入到活性炭上做了改性處理，這個能量密度可以進一步提升。
我們引入氮材料之后，這屬于導(dǎo)電高分子的范圍，我們可以做到400F/g的容量。但是這400還是在實驗室的級別。
另外我們想再提升V，因為對于電解液來講，鋰電池的電解液已經(jīng)做到了耐壓5伏，那對超級電容現(xiàn)在有提供3伏電解液的，離子液可以用4伏，但是現(xiàn)在適用的3伏電解液，它在光伏的條件下耐電壓可以到3.8、3.9伏，我們合成的一些材料，我們想找到正極材料配合陰離子，負極材料配合陽離子，這樣找到一個很好的，能最大化的電壓串口的結(jié)構(gòu)，我們在實驗室里發(fā)現(xiàn)，我們能找到一種材料，在穩(wěn)定性上達到3.5V穩(wěn)定的。當然我們做這個實驗的時候，是把兩個實驗材料的正負極對換，它做正極的時候可以在3.5V穩(wěn)定，做負極的時候，極化就比較大，那這個材料我們找了一種異構(gòu)材料，我們還在寫專利。
第二個，超級電容的可靠性、安全性真的那么高嗎？從大規(guī)模的儲能，它的安全性、可靠性，首先取決于整個系統(tǒng)的架構(gòu)，這個里面剛才有位講BMS，其實我認為BMS起到的作用更多的是監(jiān)控和保護，真正的提高安全性、可靠性，最基礎(chǔ)的還是技術(shù)元件，也就是電容器本身。
我們提出一個CRAMS，其實是借用了一個高鐵上的檢測手段，我覺得這個很好，特別適合超級電容，當然也適合電池，一致性非常重要，是所有電化學(xué)器件必須要有的，這個一致性指的是從材料、工藝、初始性能一致性，并且在整個全生命周期都要一致，其實對電池也是這樣的，這個可能做到比較難。
我們怎么樣做到一致性呢？這里面有一個技術(shù)邏輯，我們把特征分成兩部分，一部分是特殊特性，可能是引起比較大的安全性隱患的，另外一部分是它的技術(shù)性能，比如容量、內(nèi)阻、自放電、溫度特性、循環(huán)，這個東西和什么有關(guān)，我們從機理上來試圖理解它。例如電阻和什么有關(guān)，和集流體有關(guān)，和電解液的固體和液體界面的電焊轉(zhuǎn)移有關(guān)，把這些東西對應(yīng)到我們的物料場，這就相當于我們做控制計劃的基礎(chǔ)。
我們做了控制計劃怎么實現(xiàn)呢？就需要自動化設(shè)備去實現(xiàn)，去根據(jù)計劃去制訂工藝，定SOP，通過設(shè)備實現(xiàn)我們的工藝，我們希望我們不同車間的工藝參數(shù)，首先實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，不同的過程參數(shù)、結(jié)果參數(shù)都能形成一個大數(shù)據(jù)，甚至和我的策略工程，甚至在應(yīng)用中的，我們期望在應(yīng)用中的，例如在不同功率、不同電流，不同溫度下造成我的壽命衰減，能和我前期建成一個關(guān)系，這個東西可以形成一個數(shù)據(jù)的閉環(huán)，它可以指導(dǎo)我去更改配方，更改工藝，當然我們現(xiàn)在樣本太少也做不到這種。
另外是關(guān)于自放電的問題，針對這個問題我們做了分析，自放電和什么有關(guān)，第一個，所有的電池也好，電容也好，這種器件有一個等效電源電阻，通過這個自放電。另外一個就是法拉第副反應(yīng)，還有濃差極化，因為它有陰陽離子的吸附，在充放電的過程是一個消耗電解液離子的過程，在這個過程中我們建立了一些關(guān)系，我們做了一個120小時的自放電，然后用對數(shù)函數(shù)進行模擬，它也是0.14的速率在衰減，現(xiàn)在我們3伏產(chǎn)品在1000小時，電壓保持率還能在2伏以上。
最后一個是價格問題，現(xiàn)在超級電容器是秒級到分鐘級的儲能器件，在一分鐘之內(nèi)超級電容是有優(yōu)勢的，你找一個儲能說我是500千瓦，1分鐘那超級電容還是便宜的，到兩分鐘超級電容就不便宜了。但是從整個生命周期來講，從性價比來講可以到5分鐘的級別。但是目前超級電容大規(guī)模的應(yīng)用起來可能成本比較高，一次投資比較大。但這也是由于產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，我們認為未來超級電容成本下降空間還是比較大的，第一個，超級電容的基礎(chǔ)材料為碳和鋁，資源豐富，降本潛力很大，第二，能量密度的提升會大幅度的降低超級電容的使用成本。我們期望未來超級電容能在15分鐘級別的儲能能占據(jù)一席之地，尤其對功率要求比較高的。
后面是我們超級電容的應(yīng)用，目前的情況是針對于源和負載之間的平衡，更多的是短時間的平衡，不管是源切換、源波動。這是在微電網(wǎng)中的應(yīng)用，這是做一個大電流的發(fā)生器，是一個檢測設(shè)備，一千伏一萬安的檢測設(shè)備，要在5毫秒之內(nèi)輸出，減少了變壓器的投資。
這是在長北分布式的光伏虛擬同步機，我們?yōu)樗麄兲峁┑?0臺超級電容。
這是我們正在做的一個項目，基于超級電容的快速充電特性我們做了一個能量回收裝置，這是一個峰值功率4兆瓦的，把原來的電阻能饋用超級電容做能量回收，這里面配置4個柜子，每個柜子是2.4度電，總共是9.6度電。
這是功率補償，在修井機、鉆井平臺的110千瓦和500千瓦的系統(tǒng)。
這是一個更小型的應(yīng)用，要求非常長壽命的超級電容的應(yīng)用，在東南亞的一個路燈，一個韓國客戶在做的。這個是物聯(lián)網(wǎng)概念的，微能源的收獲，這里面是采用的光伏，其實我們可以采用振動還有各種其他的能量，包括射頻、溫差，來實現(xiàn)能量搜集、儲存和管理。
謝謝，這就是我要匯報的內(nèi)容。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
發(fā)言人簡介：
孫偉，男，1981年5月出生，西安交大（本碩）挪威奧斯陸大學(xué)博士研究生學(xué)歷，2011年回國創(chuàng)業(yè)，成立烯晶碳能電子科技無錫有限公司并擔任技術(shù)總監(jiān)，無錫市首批“東方硅谷創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才”，江蘇省首屆創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽“二等獎”獲得者。全面負責企業(yè)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃、實施及技術(shù)系統(tǒng)組織管理工作。主持超級電容器活性材料、電極、電解液材料深度開發(fā)、第二代硅基超級電容器以及非對稱超級電容器等的項目開發(fā)。
孫偉博士在奧斯陸大學(xué)期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，多篇發(fā)表于Journal of Power Sources，累計引用百余次。首次提出利用微納米加工技術(shù)生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)的超級電容器。曾參與北歐“Nordic Innovation Center”超級電容器子項目，多次受邀參加國際學(xué)術(shù)會議口頭報告和張貼報告多次。至今已申請中國發(fā)明專利和實用新型專利30余項，其中發(fā)明專利授權(quán)18項，實用新型專利授權(quán)5項。
自2010年成立烯晶碳能電子科技無錫有限公司以來，孫偉博士組織成立了材料研發(fā)中心、器件開發(fā)中心、工程技術(shù)中心、測試中心和應(yīng)用開發(fā)中心，帶領(lǐng)技術(shù)團隊成功開發(fā)高能量密度電極材料并完成中試；完成干法電極及高能量密度超級電容單體、模組產(chǎn)業(yè)化；成功開發(fā)應(yīng)用于新能源發(fā)電、軌道交通、微電網(wǎng)等多種超級電容儲能系統(tǒng)并批量應(yīng)用。
