超級(jí)電容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用

超級(jí)電容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用第一頁(yè)，共31頁(yè)。主要內(nèi)容超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)工作組簡(jiǎn)介1

2超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域4超級(jí)電容器技術(shù)概述超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)化3第二頁(yè)，共31頁(yè)。一、超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)工作組中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院（工業(yè)和信息化部電子第四研究院，簡(jiǎn)稱CESI）第三頁(yè)，共31頁(yè)。資質(zhì)授權(quán)

QualificationAuthorization政府授權(quán)電子信息產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室國(guó)家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)制定CCC檢測(cè)機(jī)構(gòu)國(guó)防微電子元器件一級(jí)計(jì)量站工業(yè)和信息化部工業(yè)（電子信息）產(chǎn)品質(zhì)量控制與技術(shù)評(píng)價(jià)賽西實(shí)驗(yàn)室電子工業(yè)安全與電磁兼容檢測(cè)中心信息處理產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型檢測(cè)中心工業(yè)和信息化部數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型檢測(cè)中心工業(yè)和信息化部電子計(jì)量中心工業(yè)和信息化部電子信息產(chǎn)品污染控制技術(shù)促進(jìn)中心北京市中關(guān)村開放實(shí)驗(yàn)室國(guó)家軟件標(biāo)準(zhǔn)化推廣中心國(guó)家OID注冊(cè)中心國(guó)家IC卡注冊(cè)中心商務(wù)部出口商品技術(shù)服務(wù)中心第四頁(yè)，共31頁(yè)。國(guó)際認(rèn)可國(guó)際電工委員會(huì)電工產(chǎn)品合格與認(rèn)證組織（IECEE）認(rèn)可的CB實(shí)驗(yàn)室美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）認(rèn)可的第三方數(shù)據(jù)交換（TPTDP）實(shí)驗(yàn)室美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）認(rèn)可注冊(cè)的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室德國(guó)萊茵TUV認(rèn)證機(jī)構(gòu)指定的中國(guó)代理實(shí)驗(yàn)室挪威NEMKO認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室APMG授權(quán)的ITSMS、ITILV3、PRINCE2培訓(xùn)與考試機(jī)構(gòu)藍(lán)光光碟聯(lián)盟授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心（Blu-rayDisc）視像電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心（DisplayPort）數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心（DLNA）杜比實(shí)驗(yàn)室授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心（DolbyDigital）高清晰度多媒體接口組織授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心（HDMI）高寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)組織授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心（HDCP）通用即插即用論壇授權(quán)國(guó)際認(rèn)證測(cè)試中心(UPnP)第五頁(yè)，共31頁(yè)。二、超級(jí)電容器技術(shù)概述Figure1Comparisonbetweendifferenttypesofenergystoragemechanisms.Thevariationofthepotentialwiththeamountofchargeextractedisshownabove,andtheamountofenergyavailableisshownbelowbytheareasunderthecurves.QmaxVmaxVQmaxQVmaxVQmaxQVmaxVVmaxVQmaxQVmaxVVmaxVQmaxQQmaxQ雙電層電極雙電層電極扦插反應(yīng)電極扦插反應(yīng)電極重構(gòu)反應(yīng)電極重構(gòu)反應(yīng)電極QHuggins,A.Robert,SolidStateIonics,2000,134,179.

第六頁(yè)，共31頁(yè)。Stern模型的雙電層電位分布圖(a)電荷分布；（b）電位分布二、超級(jí)電容器技術(shù)概述Helmholts、Chapman、Stern、Grahame、Bockris第七頁(yè)，共31頁(yè)。式中為金屬電位，為溶液電位，為離子與電極之間的最近距離(等于離子半徑)的電位。對(duì)電荷密度微分：

式中為雙電層電容，

為緊密層電容；為分散層電容，等于兩個(gè)串聯(lián)電容

和

的總電容。即把雙電層的微分電容看成是由緊密層電容和分散層電容串連組成，如圖所示：

二、超級(jí)電容器技術(shù)概述第八頁(yè)，共31頁(yè)。對(duì)欠電位沉積而言，一個(gè)常見的例子是Pb在Au表面上的沉積，相應(yīng)的反應(yīng)可用下式表示：

Au+Pb2++2xe-=Au·xPb（1）一種理想的情形是Pb在電極上的吸附服從電化學(xué)Langmuir等溫方程：（2）

為電解質(zhì)溶液中Pb2+的濃度，為對(duì)應(yīng)的參比電極的電極電位，為表面覆蓋系數(shù)，一般而言，0<<1。但存在多層吸附時(shí)，>1。

根據(jù)(2)式可得到如下兩個(gè)結(jié)論：

1．當(dāng)由0變化至1即Pb原子在Au表面的覆蓋率由0增大到被整體單層覆蓋時(shí)，則電壓也因此而連續(xù)變化，這一點(diǎn)與通常電池充電過(guò)程中電勢(shì)為定值有不同之處。

2．該式可寫成如下電容表達(dá)式

二、超級(jí)電容器技術(shù)概述第九頁(yè)，共31頁(yè)。即為贗電容(pseudocapacitance)，為Au表面吸附一完整Pb原子單層所需電荷量。將（2）式微分結(jié)合（3）式有：

對(duì)于研究較多的RuO2/H2SO4體系而言，電極上發(fā)生的法拉第反應(yīng)是孔隙中可逆的質(zhì)子遷入或遷出。反應(yīng)式為：

RuO2+xH++xe-=RuO2-x(OH)x

根據(jù)Nernst方程

(3)

(4)

(5)

(6)二、超級(jí)電容器技術(shù)概述第十頁(yè)，共31頁(yè)。根據(jù)Nernst方程(1.10)表示電極材料氧化還原過(guò)程中的相對(duì)氧化程度。雖然該式由溶液中的氧化還原過(guò)程而來(lái)，但原則上也適用于其它具有連續(xù)可變氧化還原程度的過(guò)程。若將(1.10)式與（1.5）的對(duì)數(shù)形式比較，我們可以得到相似的結(jié)果。這就要求與此類似的電容器電極材料需要具備氧化還原中心，以此產(chǎn)生連續(xù)的電子輸運(yùn)與離子傳輸。第十一頁(yè)，共31頁(yè)。靜電電容器和電解電容器具有低的或零ESR和有限的ESR與相位的頻率依賴性高操作電壓、高操作功率充放電速率受動(dòng)力學(xué)限制，因而也受限于動(dòng)力學(xué)。受電活性物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)及電解質(zhì)分解電壓的影響，操作電壓較低靜電電容器、雙電層電容器贗電容超級(jí)電容器電池及超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)及特性90°相角無(wú)限可逆電容不隨電壓而變可自我指示充放電程度相位角是頻率的函數(shù)，但具有傳輸線行為。高度可逆電容與電壓有關(guān)可自我指示充放電程度第十二頁(yè)，共31頁(yè)。能夠在一定的電位下保持恒電流放電。有固定的自由能能保持恒電流放電。自由能隨材料的轉(zhuǎn)化而連續(xù)變化電池超級(jí)電容器靜電電容器、雙電層電容器的優(yōu)缺點(diǎn)及特性若放電過(guò)程中不發(fā)生熱力學(xué)改變，電動(dòng)勢(shì)始終保持不變。若不是從非常廣義的角度看，其行為并非是電容式的。通常是不可逆的（材料不可逆性可動(dòng)力學(xué)不可逆性）。電位線性變化不能保持恒電流電位已連續(xù)方式與熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)，相關(guān)因子是log[x/(1-x)]其行為是電容式的。具有高度可逆性（RuO2可循環(huán)104-106次）電位線性變化能保持恒電流第十三頁(yè)，共31頁(yè)。到目前為止，IEC在該領(lǐng)域主要發(fā)布了以下標(biāo)準(zhǔn)：IEC62391-1電子設(shè)備用功率型固定雙電層電容器總規(guī)范IEC62391-2-1電子設(shè)備用功率型固定雙電層電容器空白詳細(xì)規(guī)范IEC62391-2-2第2部分電子設(shè)備用固定雙電層電容器分規(guī)范IEC62576電動(dòng)車用雙電層電容器電性能測(cè)試方法日本最近又提出了電子設(shè)備用鋰離子電容器電性能測(cè)試方法的提案UN38.3的修訂過(guò)程中，專門針對(duì)超級(jí)電容器增加了新的規(guī)定。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)化第十四頁(yè)，共31頁(yè)。1、標(biāo)準(zhǔn)化工作體系缺失2、標(biāo)準(zhǔn)體系沒有建立3、檢測(cè)評(píng)價(jià)缺乏標(biāo)準(zhǔn)4、質(zhì)量與可靠性方面需要標(biāo)準(zhǔn)化支撐國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化第十五頁(yè)，共31頁(yè)。原則之一資源綜合利用原則之二綜合標(biāo)準(zhǔn)化原則之三全壽命周期標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建第十六頁(yè)，共31頁(yè)。

標(biāo)準(zhǔn)化要素分析

將超級(jí)電容器需要制定的所有標(biāo)準(zhǔn)看成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)綜合體；

標(biāo)準(zhǔn)化要素包括：原料、電極材料和電解液、超級(jí)電容器單體、超級(jí)電容器組、生產(chǎn)技術(shù)、測(cè)試和檢驗(yàn)方法、接口、包裝、貯存、運(yùn)輸、回收要求技術(shù)要求；

確定標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象。三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建第十七頁(yè)，共31頁(yè)。超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)化要素圖三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建第十八頁(yè)，共31頁(yè)。標(biāo)準(zhǔn)體系框架三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建第十九頁(yè)，共31頁(yè)。超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系表三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建第二十頁(yè)，共31頁(yè)。編號(hào)項(xiàng)目代號(hào)名稱是否重點(diǎn)所屬行業(yè)類別狀態(tài)12012-2176T-SJ超級(jí)電容器分類及型號(hào)命名方法是電子行標(biāo)已立項(xiàng)22012-2191T-SJ動(dòng)力型超級(jí)電容器電性能測(cè)試方法是電子行標(biāo)已立項(xiàng)32012-2388T-SJ超級(jí)電容器充電器通用技術(shù)要求電子行標(biāo)已立項(xiàng)42012-2389T-SJ超級(jí)電容器術(shù)語(yǔ)電子行標(biāo)已立項(xiàng)5超級(jí)電容器安全技術(shù)要求電子國(guó)標(biāo)已行標(biāo)立項(xiàng),正申報(bào)國(guó)標(biāo)7電網(wǎng)削峰填谷用超級(jí)電容器規(guī)范是電子行標(biāo)已立項(xiàng)8軌道交通用超級(jí)電容器規(guī)范是電子行標(biāo)已立項(xiàng)9數(shù)據(jù)通訊用鋰離子電容器規(guī)范電子行標(biāo)申報(bào)中10風(fēng)力變漿系統(tǒng)后備電源用超級(jí)電容器規(guī)范電子行標(biāo)申報(bào)中表1標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)項(xiàng)目超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)制定情況三、超級(jí)電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。液態(tài)氫液態(tài)天然氣汽油NiCd電池NiH電池鋰離子電池鉛酸電池幾種電池、液態(tài)氫和液態(tài)天然氣和汽油體積比能量對(duì)比四、超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。

G7.8元/升10000大卡/公斤0.72g/ml

PV200天/年8小時(shí)/天10年

LIB2.5元/瓦時(shí)500次0.7元/kWh

DLC90元/瓦時(shí)50萬(wàn)次3.9×106

焦耳/元7.2×105焦耳/元5.8×105

焦耳/元2×107

焦耳/元4×106

焦耳/元(10萬(wàn)次)四、超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)經(jīng)濟(jì)性第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。圖4各種儲(chǔ)能技術(shù)功率密度對(duì)比四、超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。四、超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。上世紀(jì)七十年代，美軍將該技術(shù)用于一種電子設(shè)備防止主電源供斷后防止信息丟失而進(jìn)行供電記錄，并制定了一份國(guó)防部采購(gòu)規(guī)范DoD-C-29501-1986《固定雙電層電容器》。在ETC應(yīng)用中，一種技術(shù)是將鋰原電池與超級(jí)電容器結(jié)合使用。鋰原電池能量密度高、但功率密度小，而超級(jí)電容器的能量密度小、但功率密度大，二者結(jié)合使用，剛好取長(zhǎng)補(bǔ)短，滿足高脈沖輸出、長(zhǎng)壽命的要求。由于雙電層型的超級(jí)電容器的漏電流大，采用混合型超級(jí)電容器，則可降低漏電流，獲得低的自放電率。這種采用兩種技術(shù)的結(jié)合方案，還可應(yīng)用于智能表計(jì)等領(lǐng)域。1、電子設(shè)備領(lǐng)域四、超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。低溫啟動(dòng)是超級(jí)電容器的典型的應(yīng)用領(lǐng)域。超級(jí)電容器結(jié)合蓄電池技術(shù)應(yīng)用可以提高機(jī)車的低溫啟動(dòng)性能。在低溫下，由于蓄電池的性能大大下降，很可能不能正常啟動(dòng)或需多次啟動(dòng)才能成功，而超級(jí)電容器可以在-40℃進(jìn)行可靠點(diǎn)火。列車在運(yùn)行過(guò)程中，由于站間距較短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。超級(jí)電容器應(yīng)用于軌道車輛中，在軌道車輛制動(dòng)的時(shí)候，回收制動(dòng)能量，存儲(chǔ)于超級(jí)電容器中，當(dāng)車輛再加速時(shí)，超級(jí)電容器將這些能量釋放出來(lái)，節(jié)省30％左右的能量。

2、動(dòng)力用領(lǐng)域四、超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）《電能源存儲(chǔ)白皮書