作者：中国储能网新闻中心 来源：中国储能网

中国储能网讯：2017年4月24-26日，第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉酒店圆满召开，来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表，围绕产业热点话题，发表了一系列精彩演讲，中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。

大会期间，烯晶碳能电子科技无锡有限公司技术总监孙伟在“储能电站暨微电网专场”，以《GMCC超级电容器储能在新能源发展中的应用》为题发表演讲，现将演讲主要内容发布，以飨读者。

孙伟：大家下午好，我是烯晶碳能的孙伟，我们公司是做超级电容器的，很高兴参加这个大会，大家也做电力系统的，有做BMS的，也做电池的，今天我想介绍一下超级电容。

因为在和朋友交流的过程中，尤其在储能领域，大家对超级电容会有一些疑问，借此机会我想给大家介绍一下什么是真正的超级电容，针对疑问也为大家做一个解答。

我今天汇报分为四个部分，第一，简单介绍一下我们公司，一个什么是超级电容，和对超级电容质疑的解答。烯晶碳能2010年成立，位于江苏无锡，我们业务范围主要做的是超级电容，从电容电极到电容产品，覆盖了从材料到储能系统的产业链，应用领域主要是新能源，新能源汽车，智能电网和军工领域。6年来我们也通过了TS16549包括ISO9000、14000、18000的质量体系，也通过了201所的强制性检测，也有30个发明专利申请，其中17项已经授权。

下面我从原理上介绍一下什么是超级电容，目前我们讲的超级电容主要是指的EDLC，利用电极与电解液溶液的固液界面影响的双电层储存电何，利用的是静电吸附原理。这是一个斯特恩的双电层模型，是一个固体的电子层加上一个离子的液体层，这个层的厚度就相当于离子的半径，所以很薄。我们超级电容里面用的材料，是每克展开可以上千平方米的材料，所以这个A很大。从容量公式我们可以算出超级电容的容量很大，可以做到法拉级别，几百法拉或者上万法拉的电容。

中间是超级电容的结构，超级电容的原理基于双电层，它是两个电极，一个正极一个负极加上两个隔膜，这两个电极分别是两个双电层，简单来讲超级电容是正极的一个双电层电容和负级的双电层电容串联起来的，置于一个密封的客体中的结构。

这是双电层电容的电化学体系和等效电路，它可以等效为一个不同时间常数的RC回路的串联的阶梯网络，由于它是多孔的结构，有的孔大可能时间常数比较小，有的孔小，时间常数比较大，一个微孔的结构是很复杂的，这是超级电容结构，刚才讲的正极极流体、负极及流体，搜集电核作用。正极活性材料、负极活性材料，这里面都是碳，当然了我们后面会有一些搀氮的或者导电高分子的材料。隔膜是一个电子绝缘，离子电导的多孔膜结构。

这是一个超级电容EDLC的频率特性，上面那个图，超级电容是一个卷绕的结构，在没有注入电解液之间，它是一个以隔膜为电解质的传统的电容器，它这个值是在400多纳，电极的单层的面积大概是一个平方米，针对三千法的电容来讲。

注液之后，由于电解液的浸润，它的比表面积发生了很大的变化，在一万赫兹的时候，它的容量提升了三个数量级，当频率再降低时，它的离子扩散有足够的时间，在0.1赫兹我给它10秒钟，离子扩散时间是足够的。这个情况下超级电容的容量又升了好几个数量级。

可以简单来讲，注液之后超级电容变成了两个双电层，也称之为以界面势磊为电介质受扩散控制的双电层的结构。

这是大家眼中的超级电容器储能特性，它是一个功率型器件，处于电容和电池之间，具有中等的能量密度和功率密度。但是其实在功率密度上，和能量密度上，距离传统的电解电容和电力电容，它也酉空间，它的频率在10的4次方赫兹下，没有滤波能力，滤波很小，我们也正在开发一种电容，看看是不是能到毫秒级，或者说能做滤波的应用。

另外一个是提升超级电容器的能量密度，这个是大家一直追求的，希望扩展它的应用时间，目前超级电容的时间常数以3000法超级电容为例，时间常数在0.5秒到1秒左右，这说明什么事儿呢？这个电容充满电短路，经过3个时间常数，经过2秒到3秒，这个电就放没了，所以它能具备大功率的放电，它可以被短路。。

我们讲的很多电池具有大倍率充电，这里面电池如果等效成一个电容的话，它应该也有个时间常数，这个常数在分钟级别，分钟级别的常数电池做的是小时级别，甚至几十分钟级别的，把能量从前一个时间和空间移到下一个时间空间，超级电容做的是秒级到分钟级的事情。

右边就是超级电容的优势了，有人可能会问超级电容是不是真的这样，这四点我是我遇到的大家对超级电容质疑的地方，第一个能量密度太低，但是理论上提升空间比较大。第二个问题，超级电容真的能循环100万次吗？这个没问题，单体实验我们在家里做过100万次，充放电循环，81秒是一个充放电循环，我们做了三年多的时间。但是对于整个系统来讲，安全可靠性确实有很大的影响，它不光是电容器件本身。另外一个，很多人觉得超级电容漏电很快，尤其在低压，比如我用超级电容启动车，和铅酸电池并联，会不会把电池的电拉光了？

另外一个价格太高了，用不起。

针对第一个问题，超级电容的能量密度，它的能量是1/2CV的平方，按这是很简单的。提升能量密度也很简单，提升C，当然在同样的体积或者同样的重量下，提升C、提升V。提升C的方式，刚才这个公式也介绍了，怎么用呢？提升比表面积的利用率，提升相对径限常数，减小半径，但是这个半径首先于离子很难减小了，那我们做的就是怎么样提升比表面积。超级电容是一个电极材料和电解液材料相互配合的，从C的角度来讲，可用的比表面积必须和电解液中的电解质、离子的库存量具有正相关，而且电解液离子库存量应该大于两倍的可用比表面积。另外，电解液所具有的极性，或者溶媒的极性，要和我的电极材料，碳材料表面官能团具有类似于相似相溶的特性，才不至于相互排斥。第三个，我的孔粒分布和离子分布，因为超级电容器的电极材料是有很多孔，一个材料打开那么多比表面积，多孔结构这个离子是不是进的去，如果孔太大了，空间利用率太低，孔太小了离子进不去。按照我们市场用的活性炭，比如说这个材料是1600平方米每克，真正按照容量来算只有几百，可能利用率只有15%左右。

另外孔容包括粒径匹配和电解液浓度，这个就有很多关系了。

这是我们在提升材料克容量的工作，第一个对活性炭进行改性，改变它的界面性质。因为活性炭也具有类似于石墨的特性，我们利用石墨硒的分子结构，石墨硒是一种结构，不是一种材料，它是一种具有蜂窝状的碳的6个原子的一种单层结构，我们把石墨硒结构科学引入到活性炭上做了改性处理，这个能量密度可以进一步提升。

我们引入氮材料之后，这属于导电高分子的范围，我们可以做到400F/g的容量。但是这400还是在实验室的级别。

另外我们想再提升V，因为对于电解液来讲，锂电池的电解液已经做到了耐压5伏，那对超级电容现在有提供3伏电解液的，离子液可以用4伏，但是现在适用的3伏电解液，它在光伏的条件下耐电压可以到3.8、3.9伏，我们合成的一些材料，我们想找到正极材料配合阴离子，负极材料配合阳离子，这样找到一个很好的，能最大化的电压串口的结构，我们在实验室里发现，我们能找到一种材料，在稳定性上达到3.5V稳定的。当然我们做这个实验的时候，是把两个实验材料的正负极对换，它做正极的时候可以在3.5V稳定，做负极的时候，极化就比较大，那这个材料我们找了一种异构材料，我们还在写专利。

第二个，超级电容的可靠性、安全性真的那么高吗？从大规模的储能，它的安全性、可靠性，首先取决于整个系统的架构，这个里面刚才有位讲BMS，其实我认为BMS起到的作用更多的是监控和保护，真正的提高安全性、可靠性，最基础的还是技术元件，也就是电容器本身。

我们提出一个CRAMS，其实是借用了一个高铁上的检测手段，我觉得这个很好，特别适合超级电容，当然也适合电池，一致性非常重要，是所有电化学器件必须要有的，这个一致性指的是从材料、工艺、初始性能一致性，并且在整个全生命周期都要一致，其实对电池也是这样的，这个可能做到比较难。

我们怎么样做到一致性呢？这里面有一个技术逻辑，我们把特征分成两部分，一部分是特殊特性，可能是引起比较大的安全性隐患的，另外一部分是它的技术性能，比如容量、内阻、自放电、温度特性、循环，这个东西和什么有关，我们从机理上来试图理解它。例如电阻和什么有关，和集流体有关，和电解液的固体和液体界面的电焊转移有关，把这些东西对应到我们的物料场，这就相当于我们做控制计划的基础。

我们做了控制计划怎么实现呢？就需要自动化设备去实现，去根据计划去制订工艺，定SOP，通过设备实现我们的工艺，我们希望我们不同车间的工艺参数，首先实现设备联网，不同的过程参数、结果参数都能形成一个大数据，甚至和我的策略工程，甚至在应用中的，我们期望在应用中的，例如在不同功率、不同电流，不同温度下造成我的寿命衰减，能和我前期建成一个关系，这个东西可以形成一个数据的闭环，它可以指导我去更改配方，更改工艺，当然我们现在样本太少也做不到这种。

另外是关于自放电的问题，针对这个问题我们做了分析，自放电和什么有关，第一个，所有的电池也好，电容也好，这种器件有一个等效电源电阻，通过这个自放电。另外一个就是法拉第副反应，还有浓差极化，因为它有阴阳离子的吸附，在充放电的过程是一个消耗电解液离子的过程，在这个过程中我们建立了一些关系，我们做了一个120小时的自放电，然后用对数函数进行模拟，它也是0.14的速率在衰减，现在我们3伏产品在1000小时，电压保持率还能在2伏以上。

最后一个是价格问题，现在超级电容器是秒级到分钟级的储能器件，在一分钟之内超级电容是有优势的，你找一个储能说我是500千瓦，1分钟那超级电容还是便宜的，到两分钟超级电容就不便宜了。但是从整个生命周期来讲，从性价比来讲可以到5分钟的级别。但是目前超级电容大规模的应用起来可能成本比较高，一次投资比较大。但这也是由于产业链不成熟，我们认为未来超级电容成本下降空间还是比较大的，第一个，超级电容的基础材料为碳和铝，资源丰富，降本潜力很大，第二，能量密度的提升会大幅度的降低超级电容的使用成本。我们期望未来超级电容能在15分钟级别的储能能占据一席之地，尤其对功率要求比较高的。

后面是我们超级电容的应用，目前的情况是针对于源和负载之间的平衡，更多的是短时间的平衡，不管是源切换、源波动。这是在微电网中的应用，这是做一个大电流的发生器，是一个检测设备，一千伏一万安的检测设备，要在5毫秒之内输出，减少了变压器的投资。

这是在长北分布式的光伏虚拟同步机，我们为他们提供的20台超级电容。

这是我们正在做的一个项目，基于超级电容的快速充电特性我们做了一个能量回收装置，这是一个峰值功率4兆瓦的，把原来的电阻能馈用超级电容做能量回收，这里面配置4个柜子，每个柜子是2.4度电，总共是9.6度电。

这是功率补偿，在修井机、钻井平台的110千瓦和500千瓦的系统。

这是一个更小型的应用，要求非常长寿命的超级电容的应用，在东南亚的一个路灯，一个韩国客户在做的。这个是物联网概念的，微能源的收获，这里面是采用的光伏，其实我们可以采用振动还有各种其他的能量，包括射频、温差，来实现能量搜集、储存和管理。

谢谢，这就是我要汇报的内容。

（本文根据现场录音整理，未经本人审核）

发言人简介：

孙伟，男，1981年5月出生，西安交大（本硕）挪威奥斯陆大学博士研究生学历，2011年回国创业，成立烯晶碳能电子科技无锡有限公司并担任技术总监，无锡市首批“东方硅谷创业领军人才”，江苏省首届创业创新大赛“二等奖”获得者。全面负责企业技术发展规划、实施及技术系统组织管理工作。主持超级电容器活性材料、电极、电解液材料深度开发、第二代硅基超级电容器以及非对称超级电容器等的项目开发。

孙伟博士在奥斯陆大学期间发表学术论文10余篇，多篇发表于Journal of Power Sources，累计引用百余次。首次提出利用微纳米加工技术生产三维结构的超级电容器。曾参与北欧“Nordic Innovation Center”超级电容器子项目，多次受邀参加国际学术会议口头报告和张贴报告多次。至今已申请中国发明专利和实用新型专利30余项，其中发明专利授权18项，实用新型专利授权5项。

自2010年成立烯晶碳能电子科技无锡有限公司以来，孙伟博士组织成立了材料研发中心、器件开发中心、工程技术中心、测试中心和应用开发中心，带领技术团队成功开发高能量密度电极材料并完成中试；完成干法电极及高能量密度超级电容单体、模组产业化；成功开发应用于新能源发电、轨道交通、微电网等多种超级电容储能系统并批量应用。