1、超级电容器技术、标准与应用超级电容器技术、标准与应用超级电容器标准工作组超级电容器标准工作组 秘书处秘书处主要内容主要内容一、超级电容标准工作组一、超级电容标准工作组中国电子技术标准化研究院中国电子技术标准化研究院（工业和信息化部电子第四研究院，简称CESI）资质授权资质授权 Qualification Authorization 政府授权政府授权电子信息产品标准化国家工程实验室国家数字音视频及多媒体产品质量监督检测中心国家认证认可监督管理委员会制定CCC检测机构国防微电子元器件一级计量站工业和信息化部工业（电子信息）产品质量控制与技术评价赛西实验室电子工业安全与电磁兼容检测中心信息处理产品标
2、准复合型检测中心工业和信息化部数字电视标准复合型检测中心工业和信息化部电子计量中心工业和信息化部电子信息产品污染控制技术促进中心北京市中关村开放实验室国家软件标准化推广中心国家OID注册中心国家IC卡注册中心商务部出口商品技术服务中心 国际认可国际认可国际电工委员会电工产品合格与认证组织（IECEE）认可的CB实验室美国保险商实验室（UL）认可的第三方数据交换（TPTDP）实验室美国联邦通信委员会（FCC）认可注册的电磁兼容实验室德国莱茵TUV认证机构指定的中国代理实验室挪威NEMKO认可实验室APMG授权的ITSMS、ITIL V3、PRINCE2培训与考试机构蓝光光碟联盟授权国际认证测试中
3、心（Blu-rayDisc）视像电子标准协会授权国际认证测试中心（DisplayPort）数字生活网络联盟授权国际认证测试中心（DLNA）杜比实验室授权国际认证测试中心（Dolby Digital）高清晰度多媒体接口组织授权国际认证测试中心（HDMI）高宽带数字内容保护技术组织授权国际认证测试中心（HDCP）通用即插即用论坛授权国际认证测试中心(UPnP)二、超级电容器技术概述二、超级电容器技术概述Figure 1 Comparison between different types of energy storage mechanisms. The variation of the pote
4、ntial with the amount of charge extracted is shown above, and the amount of energy available is shown below by the areas under the curves.QmaxVmaxVQmaxQVmaxVQmaxQVmaxVVmaxVQmaxQVmaxVVmaxVQmaxQQmaxQ双电层电极双电层电极双电层电极双电层电极扦插反应电极扦插反应电极扦插反应电极扦插反应电极重构反应电极重构反应电极重构反应电极重构反应电极QHuggins, A. Robert, Solid State Io
5、nics, 2000, 134, 179. Stern模型的双电层电位分布图模型的双电层电位分布图(a) 电荷分布；（电荷分布；（b）电位分布）电位分布二、超级电容器技术概述二、超级电容器技术概述Helmholts、Chapman、Stern、Grahame、Bockris)()(22sMsMMsMMMsMqqq)()()(22DHdCCC111式中式中 为金属电位，为金属电位， 为溶液电位，为溶液电位， 为离子与电极之间的最为离子与电极之间的最近距离近距离(等于离子半径等于离子半径)的电位。对电荷密度微分：的电位。对电荷密度微分： Mrs分C紧C式中式中 为双电层电容，为双电层电容， 为紧密
6、层电容；为紧密层电容； 为分散层电容，等于两个串为分散层电容，等于两个串联电容联电容 和和 的总电容。即把双电层的微分电容看成是由紧密层电容和分散的总电容。即把双电层的微分电容看成是由紧密层电容和分散层电容串连组成，如图所示：层电容串连组成，如图所示： dCHCDC二、超级电容器技术概述二、超级电容器技术概述 对欠电位沉积而言，一个常见的例子是对欠电位沉积而言，一个常见的例子是Pb在在Au表面上的沉积，表面上的沉积，相应的反应可用下式表示：相应的反应可用下式表示： Au + Pb2+ + 2xe- =AuxPb （1） 一种理想的情形是一种理想的情形是Pb在电极上的吸附服从电化学在电极上的吸附
7、服从电化学Langmuir等温等温方程：方程： （2） 为电解质溶液中为电解质溶液中Pb2+的浓度，的浓度， 为为对应的参比电极的电极电位，对应的参比电极的电极电位，为表面覆盖系数，一般而言，为表面覆盖系数，一般而言，0 1。 根据根据(2)式可得到如下两个结论：式可得到如下两个结论： )/exp()1/(2RTVFKCPbPbPb2PbCVPbPb 1当当 由由0变化至变化至1即即Pb原子在原子在Au表面的覆盖率由表面的覆盖率由0增大到增大到被整体单层覆盖时，则电压也因此而连续变化，这一点与通常被整体单层覆盖时，则电压也因此而连续变化，这一点与通常电池充电过程中电势为定值有不同之处。电池充电
8、过程中电势为定值有不同之处。 2该式可写成如下电容表达式该式可写成如下电容表达式 Pb二、超级电容器技术概述二、超级电容器技术概述dVdQCPbPb/ 即为赝电容即为赝电容(pseudocapacitance)， 为为Au表面吸附一完整表面吸附一完整Pb原子单原子单层所需电荷量。层所需电荷量。将（将（2 2）式微分结合（）式微分结合（3 3）式有：）式有： CPbQ2)/exp(1/)/exp(/22RTVFKCRTVFKCRTFQCPbPbPb)1 (/PbPbPbRTFQC 对于研究较多的对于研究较多的RuO2/H2SO4体系而言，电极上发生的法拉第反应是体系而言，电极上发生的法拉第反应是
9、孔隙中可逆的质子迁入或迁出。反应式为：孔隙中可逆的质子迁入或迁出。反应式为： RuO2 +xH+ +xe- = RuO2-x(OH)x 根据根据Nernst方程方程 (3) (4) (5) (6)二、超级电容器技术概述二、超级电容器技术概述根据根据Nernst方程方程 (1.10)表示电极材料氧化还原过程中的相对氧化程度。虽然表示电极材料氧化还原过程中的相对氧化程度。虽然该式由溶液中的氧化还原过程而来，但原则上也适用该式由溶液中的氧化还原过程而来，但原则上也适用于其它具有连续可变氧化还原程度的过程。于其它具有连续可变氧化还原程度的过程。若将若将(1.10)式与（式与（1.5）的对数形式比较，我
10、们可以得到）的对数形式比较，我们可以得到相似的结果。这就要求与此类似的电容器电极材料需相似的结果。这就要求与此类似的电容器电极材料需要具备氧化还原中心，以此产生连续的电子输运与离要具备氧化还原中心，以此产生连续的电子输运与离子传输。子传输。静电电容器和电解电容器具有低的静电电容器和电解电容器具有低的或零或零ESRESR和有限的和有限的ESRESR与相位的频率与相位的频率依赖性依赖性高操作电压、高操作功率高操作电压、高操作功率充放电速率受动力学限制，因而也充放电速率受动力学限制，因而也受限于动力学。受限于动力学。受电活性物质化学性质及电解质分解受电活性物质化学性质及电解质分解电压的影响，操作电压
11、较低电压的影响，操作电压较低静电电容器、双电层电容器静电电容器、双电层电容器赝电容超级电容器赝电容超级电容器电池及超级电容器的优缺点及特性电池及超级电容器的优缺点及特性 9090相角相角无限可逆无限可逆电容不随电压而变电容不随电压而变可自我指示充放电程度可自我指示充放电程度相位角是频率的函数，但具有传输线相位角是频率的函数，但具有传输线行为。行为。高度可逆高度可逆电容与电压有关电容与电压有关可自我指示充放电程度可自我指示充放电程度能够在一定的电位下保持恒电流放能够在一定的电位下保持恒电流放电。电。有固定的自由能有固定的自由能能保持恒电流放电。能保持恒电流放电。自由能随材料的转化而连续变化自由能
12、随材料的转化而连续变化电池电池超级电容器超级电容器静电电容器、双电层电容器的优缺点及特性静电电容器、双电层电容器的优缺点及特性若放电过程中不发生热力学改变，电若放电过程中不发生热力学改变，电动势始终保持不变。动势始终保持不变。若不是从非常广义的角度看，其行为若不是从非常广义的角度看，其行为并非是电容式的。并非是电容式的。通常是不可逆的（材料不可逆性可动通常是不可逆的（材料不可逆性可动力学不可逆性）。力学不可逆性）。电位线性变化不能保持恒电流电位线性变化不能保持恒电流电位已连续方式与热力学状态有关，电位已连续方式与热力学状态有关，相关因子是相关因子是logx/(1-x)其行为是电容式的。其行为是
13、电容式的。具有高度可逆性（具有高度可逆性（RuO2可循环可循环104-106次）次）电位线性变化能保持恒电流电位线性变化能保持恒电流到目前为止，IEC在该领域主要发布了以下标准：l IEC62391-1 电子设备用功率型固定双电层电容器总规范l IEC62391-2-1 电子设备用功率型固定双电层电容器空白详细规范l IEC62391-2-2 第2部分电子设备用固定双电层电容器分规范l IEC62576 电动车用双电层电容器电性能测试方法l 日本最近又提出了电子设备用锂离子电容器电性能测试方法的提案l UN38.3的修订过程中，专门针对超级电容器增加了新的规定。国外标准现状三、超级电容器标准化
14、三、超级电容器标准化1、标准化工作体系缺失2、标准体系没有建立3、检测评价缺乏标准4、质量与可靠性方面需要标准化支撑国内标准化原则之一原则之一 资源综合利用资源综合利用原则之二原则之二 综合综合标准化原则之三原则之三 全寿命周期全寿命周期标准体系构建原则三、超级电容器标准体系构建三、超级电容器标准体系构建 标准化要素分析标准化要素分析l 将超级电容器需要制定的所有标准看成一个标准综合体将超级电容器需要制定的所有标准看成一个标准综合体；l 标准化要素包括标准化要素包括：原料、电极材料和电解液、超级电容器单原料、电极材料和电解液、超级电容器单体、超级电容器组、生产技术、测试和检验方法、体、超级电容
15、器组、生产技术、测试和检验方法、接口、接口、包装、包装、贮存、运输、回收要求技术要求贮存、运输、回收要求技术要求；l 确定标准化对象。确定标准化对象。三、超级电容器标准体系构建三、超级电容器标准体系构建超级电容器标准化要素图 三、超级电容器标准体系构建三、超级电容器标准体系构建标准体系框架三、超级电容器标准体系构建三、超级电容器标准体系构建超级电容器标准体系表超级电容器标准体系表三、超级电容器标准体系构建三、超级电容器标准体系构建编号编号项目代号项目代号名名 称称是否是否重点重点所属行业所属行业类别类别状态状态1 12012-2176T-SJ2012-2176T-SJ超级电容器分类及型号命名方
16、法超级电容器分类及型号命名方法是是电子电子行标行标已立项已立项2 22012-2191T-SJ2012-2191T-SJ动力型超级电容器电性能测试方法动力型超级电容器电性能测试方法是是电子电子行标行标已立项已立项3 32012-2388T-SJ2012-2388T-SJ超级电容器充电器通用技术要求超级电容器充电器通用技术要求电子电子行标行标已立项已立项4 42012-2389T-SJ2012-2389T-SJ超级电容器术语超级电容器术语电子电子行标行标已立项已立项5 5超级电容器安全技术要求超级电容器安全技术要求电子电子国标国标已行标立已行标立项项, ,正申报正申报国标国标7 7电网削峰填谷用
17、超级电容器规范电网削峰填谷用超级电容器规范是是电子电子行标行标已立项已立项8 8轨道交通用超级电容器规范轨道交通用超级电容器规范是是电子电子行标行标已立项已立项9 9数据通讯用锂离子电容器规范数据通讯用锂离子电容器规范电子电子行标行标申报中申报中1010风力变浆系统后备电源用超级电容器规风力变浆系统后备电源用超级电容器规范范电子电子行标行标申报中申报中表1标准立项项目超级电容器标准制定情况 三、超级电容器标准体系构建三、超级电容器标准体系构建0200040006000800010000 液态氢 液态天然气汽油 NiCd电池 NiH电池 锂离子电池铅酸电池 几种电池、液态氢和液态天然气和汽油体积
18、比能量对比四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域 G7.8 元元/升升10000 大卡大卡/公斤公斤0.72g/ml PV200天天/年年8小时小时/天天10年年 LIB2.5元元/瓦时瓦时500次次0.7元元/kWh DLC90元元/瓦时瓦时50万次万次3.9106 焦耳焦耳/元元7.2105焦耳焦耳/元元5.8105 焦耳焦耳/元元 2107 焦耳焦耳/元元4106 焦耳焦耳/元元(10万万次次)四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域技术经济性图4 各种储能技术功率密度对比四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域n 上世纪七十年代
19、，美军将该技术用于一种电子设备防止主电源供断上世纪七十年代，美军将该技术用于一种电子设备防止主电源供断后防止信息丢失而进行供电记录，并制定了一份国防部采购规范后防止信息丢失而进行供电记录，并制定了一份国防部采购规范DoD-C-29501-1986固定双电层电容器固定双电层电容器。n 在在ETC应用中，一种技术是将锂原电池与超级电容器结合使用。锂原应用中，一种技术是将锂原电池与超级电容器结合使用。锂原电池能量密度高、但功率密度小，而超级电容器的能量密度小、但功率电池能量密度高、但功率密度小，而超级电容器的能量密度小、但功率密度大，二者结合使用，刚好取长补短，满足高脉冲输出、长寿命的要密度大，二者
20、结合使用，刚好取长补短，满足高脉冲输出、长寿命的要求。由于双电层型的超级电容器的漏电流大，采用混合型超级电容器，求。由于双电层型的超级电容器的漏电流大，采用混合型超级电容器，则可降低漏电流，获得低的自放电率。这种采用两种技术的结合方案，则可降低漏电流，获得低的自放电率。这种采用两种技术的结合方案，还可应用于智能表计等领域。还可应用于智能表计等领域。1、电子设备领域四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域n 低温启动是超级电容器的典型的应用领域。超级电容器结合蓄低温启动是超级电容器的典型的应用领域。超级电容器结合蓄电池技术应用可以提高机车的低温启动性能。在低温下，由于蓄电池技术应用可以提高机
21、车的低温启动性能。在低温下，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器可以在功，而超级电容器可以在-40 进行可靠点火。进行可靠点火。n 列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。超级电容器应用于轨道车辆中，在轨道车辆制动能量相当可观。超级电容器应用于轨道车辆中，在轨道车辆制动的时候，回收制动能量，存储于超级电容器中，当车辆再加制动的时候，回收制动能量，存储于超级电容器中，当车辆再加速时，超级电容器将这些能量释放出来，节
22、省速时，超级电容器将这些能量释放出来，节省30左右的能量。左右的能量。 2、动力用领域、动力用领域四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域n 国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）电能源存储白皮书电能源存储白皮书将储能技术分为：将储能技术分为： 机械储能系统、机械储能系统、 电化学储能系统、电化学储能系统、 化学储能系统、化学储能系统、 电储能系统：超级电容器和超导储能。电储能系统：超级电容器和超导储能。 热能存储系统。热能存储系统。n 超级电容器在储能领域的应用近年发展非常快，主要包括电网削超级电容器在储能领域的应用近年发展非常快，主要包括电网削峰填谷，风力发电。电网的削峰填谷更常用于平滑功率的瞬时消耗和峰填谷，风力发电。电网的削峰填谷更常用于平滑功率的瞬时消耗和增加对微网的冲击，借助于超级电容器的高功率输出和输入特性对于增加对微网的冲击，借助于超级电容器的高功率输出和输入特性对于该项应用极其有效。该项应用极其有效。3、储能领域、储能领域四、超级电容器应用领域四、超级电容器应用领域联系方式联系方式E-mail: 手手 机：机：
