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(gè)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?yàn)樵诤团笥呀涣鞯倪^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(jī)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(gè)解答。
我今天匯報(bào)分為四個(gè)部分，第一，簡單介紹一下我們公司，一個(gè)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(qiáng)制性檢測，也有30個(gè)發(fā)明專利申請，其中17項(xiàng)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(gè)斯特恩的雙電層模型，是一個(gè)固體的電子層加上一個(gè)離子的液體層，這個(gè)層的厚度就相當(dāng)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(gè)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(gè)電極，一個(gè)正極一個(gè)負(fù)極加上兩個(gè)隔膜，這兩個(gè)電極分別是兩個(gè)雙電層，簡單來講超級電容是正極的一個(gè)雙電層電容和負(fù)級的雙電層電容串聯(lián)起來的，置于一個(gè)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(gè)不同時(shí)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(shí)間常數(shù)比較小，有的孔小，時(shí)間常數(shù)比較大，一個(gè)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(fù)極及流體，搜集電核作用。正極活性材料、負(fù)極活性材料，這里面都是碳，當(dāng)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(gè)電子絕緣，離子電導(dǎo)的多孔膜結(jié)構(gòu)。
這是一個(gè)超級電容EDLC的頻率特性，上面那個(gè)圖，超級電容是一個(gè)卷繞的結(jié)構(gòu)，在沒有注入電解液之間，它是一個(gè)以隔膜為電解質(zhì)的傳統(tǒng)的電容器，它這個(gè)值是在400多納，電極的單層的面積大概是一個(gè)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(shí)候，它的容量提升了三個(gè)數(shù)量級，當(dāng)頻率再降低時(shí)，它的離子擴(kuò)散有足夠的時(shí)間，在0.1赫茲我給它10秒鐘，離子擴(kuò)散時(shí)間是足夠的。這個(gè)情況下超級電容的容量又升了好幾個(gè)數(shù)量級。
可以簡單來講，注液之后超級電容變成了兩個(gè)雙電層，也稱之為以界面勢磊為電介質(zhì)受擴(kuò)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(gè)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(shí)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(gè)是提升超級電容器的能量密度，這個(gè)是大家一直追求的，希望擴(kuò)展它的應(yīng)用時(shí)間，目前超級電容的時(shí)間常數(shù)以3000法超級電容為例，時(shí)間常數(shù)在0.5秒到1秒左右，這說明什么事兒呢？這個(gè)電容充滿電短路，經(jīng)過3個(gè)時(shí)間常數(shù)，經(jīng)過2秒到3秒，這個(gè)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(gè)電容的話，它應(yīng)該也有個(gè)時(shí)間常數(shù)，這個(gè)常數(shù)在分鐘級別，分鐘級別的常數(shù)電池做的是小時(shí)級別，甚至幾十分鐘級別的，把能量從前一個(gè)時(shí)間和空間移到下一個(gè)時(shí)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(diǎn)我是我遇到的大家對超級電容質(zhì)疑的地方，第一個(gè)能量密度太低，但是理論上提升空間比較大。第二個(gè)問題，超級電容真的能循環(huán)100萬次嗎？這個(gè)沒問題，單體實(shí)驗(yàn)我們在家里做過100萬次，充放電循環(huán)，81秒是一個(gè)充放電循環(huán)，我們做了三年多的時(shí)間。但是對于整個(gè)系統(tǒng)來講，安全可靠性確實(shí)有很大的影響，它不光是電容器件本身。另外一個(gè)，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(dòng)車，和鉛酸電池并聯(lián)，會不會把電池的電拉光了？
另外一個(gè)價(jià)格太高了，用不起。
針對第一個(gè)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(dāng)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(gè)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(gè)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(gè)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(tuán)具有類似于相似相溶的特性，才不至于相互排斥。第三個(gè)，我的孔粒分布和離子分布，因?yàn)槌夒娙萜鞯碾姌O材料是有很多孔，一個(gè)材料打開那么多比表面積，多孔結(jié)構(gòu)這個(gè)離子是不是進(jìn)的去，如果孔太大了，空間利用率太低，孔太小了離子進(jìn)不去。按照我們市場用的活性炭，比如說這個(gè)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(gè)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(gè)對活性炭進(jìn)行改性，改變它的界面性質(zhì)。因?yàn)榛钚蕴恳簿哂蓄愃朴谑奶匦裕覀兝檬姆肿咏Y(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(gè)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(gè)能量密度可以進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的級別。
另外我們想再提升V，因?yàn)閷τ陔娊庖簛碇v，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(fù)極材料配合陽離子，這樣找到一個(gè)很好的，能最大化的電壓串口的結(jié)構(gòu)，我們在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)，我們能找到一種材料，在穩(wěn)定性上達(dá)到3.5V穩(wěn)定的。當(dāng)然我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，是把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)材料的正負(fù)極對換，它做正極的時(shí)候可以在3.5V穩(wěn)定，做負(fù)極的時(shí)候，極化就比較大，那這個(gè)材料我們找了一種異構(gòu)材料，我們還在寫專利。
第二個(gè)，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(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，這個(gè)里面剛才有位講BMS，其實(shí)我認(rèn)為BMS起到的作用更多的是監(jiān)控和保護(hù)，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(gè)CRAMS，其實(shí)是借用了一個(gè)高鐵上的檢測手段，我覺得這個(gè)很好，特別適合超級電容，當(dāng)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(gè)一致性指的是從材料、工藝、初始性能一致性，并且在整個(gè)全生命周期都要一致，其實(shí)對電池也是這樣的，這個(gè)可能做到比較難。
我們怎么樣做到一致性呢？這里面有一個(gè)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(gè)東西和什么有關(guān)，我們從機(jī)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(dāng)于我們做控制計(jì)劃的基礎(chǔ)。
我們做了控制計(jì)劃怎么實(shí)現(xiàn)呢？就需要自動(dòng)化設(shè)備去實(shí)現(xiàn)，去根據(jù)計(jì)劃去制訂工藝，定SOP，通過設(shè)備實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)關(guān)系，這個(gè)東西可以形成一個(gè)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(dāng)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(gè)問題我們做了分析，自放電和什么有關(guān)，第一個(gè)，所有的電池也好，電容也好，這種器件有一個(gè)等效電源電阻，通過這個(gè)自放電。另外一個(gè)就是法拉第副反應(yīng)，還有濃差極化，因?yàn)樗嘘庩栯x子的吸附，在充放電的過程是一個(gè)消耗電解液離子的過程，在這個(gè)過程中我們建立了一些關(guān)系，我們做了一個(gè)120小時(shí)的自放電，然后用對數(shù)函數(shù)進(jìn)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(shí)，電壓保持率還能在2伏以上。
最后一個(gè)是價(jià)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(gè)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(gè)生命周期來講，從性價(jià)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(rèn)為未來超級電容成本下降空間還是比較大的，第一個(gè)，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(fù)載之間的平衡，更多的是短時(shí)間的平衡，不管是源切換、源波動(dòng)。這是在微電網(wǎng)中的應(yīng)用，這是做一個(gè)大電流的發(fā)生器，是一個(gè)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(jī)，我們?yōu)樗麄兲峁┑?0臺超級電容。
這是我們正在做的一個(gè)項(xiàng)目，基于超級電容的快速充電特性我們做了一個(gè)能量回收裝置，這是一個(gè)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(gè)柜子，每個(gè)柜子是2.4度電，總共是9.6度電。
這是功率補(bǔ)償，在修井機(jī)、鉆井平臺的110千瓦和500千瓦的系統(tǒng)。
這是一個(gè)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(gè)路燈，一個(gè)韓國客戶在做的。這個(gè)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(shí)我們可以采用振動(dòng)還有各種其他的能量，包括射頻、溫差，來實(shí)現(xiàn)能量搜集、儲存和管理。
