超級電容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用

1、超級電容器技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用超級電容器技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用超級電容器標(biāo)準(zhǔn)工作組超級電容器標(biāo)準(zhǔn)工作組 秘書處秘書處主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、超級電容標(biāo)準(zhǔn)工作組一、超級電容標(biāo)準(zhǔn)工作組中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院（工業(yè)和信息化部電子第四研究院，簡稱CESI）資質(zhì)授權(quán)資質(zhì)授權(quán) Qualification Authorization 政府授權(quán)政府授權(quán)電子信息產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化國家工程實驗室國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會制定CCC檢測機(jī)構(gòu)國防微電子元器件一級計量站工業(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)評價賽西實驗室電子工業(yè)安全與電磁兼容檢測中心信息處理產(chǎn)品標(biāo)

2、準(zhǔn)復(fù)合型檢測中心工業(yè)和信息化部數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型檢測中心工業(yè)和信息化部電子計量中心工業(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)村開放實驗室國家軟件標(biāo)準(zhǔn)化推廣中心國家OID注冊中心國家IC卡注冊中心商務(wù)部出口商品技術(shù)服務(wù)中心 國際認(rèn)可國際認(rèn)可國際電工委員會電工產(chǎn)品合格與認(rèn)證組織（IECEE）認(rèn)可的CB實驗室美國保險商實驗室（UL）認(rèn)可的第三方數(shù)據(jù)交換（TPTDP）實驗室美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）認(rèn)可注冊的電磁兼容實驗室德國萊茵TUV認(rèn)證機(jī)構(gòu)指定的中國代理實驗室挪威NEMKO認(rèn)可實驗室APMG授權(quán)的ITSMS、ITIL V3、PRINCE2培訓(xùn)與考試機(jī)構(gòu)藍(lán)光光碟聯(lián)盟授權(quán)國際認(rèn)證測試中

3、心（Blu-rayDisc）視像電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會授權(quán)國際認(rèn)證測試中心（DisplayPort）數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟授權(quán)國際認(rèn)證測試中心（DLNA）杜比實驗室授權(quán)國際認(rèn)證測試中心（Dolby Digital）高清晰度多媒體接口組織授權(quán)國際認(rèn)證測試中心（HDMI）高寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù)組織授權(quán)國際認(rèn)證測試中心（HDCP）通用即插即用論壇授權(quán)國際認(rèn)證測試中心(UPnP)二、超級電容器技術(shù)概述二、超級電容器技術(shù)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雙電層電極雙電層電極雙電層電極雙電層電極扦插反應(yīng)電極扦插反應(yīng)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)電極重構(gòu)反應(yīng)電極重構(gòu)反應(yīng)電極QHuggins, A. Robert, Solid State Io

5、nics, 2000, 134, 179. Stern模型的雙電層電位分布圖模型的雙電層電位分布圖(a) 電荷分布；（電荷分布；（b）電位分布）電位分布二、超級電容器技術(shù)概述二、超級電容器技術(shù)概述Helmholts、Chapman、Stern、Grahame、Bockris)()(22sMsMMsMMMsMqqq)()()(22DHdCCC111式中式中 為金屬電位，為金屬電位， 為溶液電位，為溶液電位， 為離子與電極之間的最為離子與電極之間的最近距離近距離(等于離子半徑等于離子半徑)的電位。對電荷密度微分：的電位。對電荷密度微分： Mrs分C緊C式中式中 為雙電層電容，為雙電層電容， 為緊密

6、層電容；為緊密層電容； 為分散層電容，等于兩個串為分散層電容，等于兩個串聯(lián)電容聯(lián)電容 和和 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：層電容串連組成，如圖所示： dCHCDC二、超級電容器技術(shù)概述二、超級電容器技術(shù)概述 對欠電位沉積而言，一個常見的例子是對欠電位沉積而言，一個常見的例子是Pb在在Au表面上的沉積，表面上的沉積，相應(yīng)的反應(yīng)可用下式表示：相應(yīng)的反應(yīng)可用下式表示： Au + Pb2+ + 2xe- =AuxPb （1） 一種理想的情形是一種理想的情形是Pb在電極上的吸附服從電化學(xué)在電極上的吸附

7、服從電化學(xué)Langmuir等溫等溫方程：方程： （2） 為電解質(zhì)溶液中為電解質(zhì)溶液中Pb2+的濃度，的濃度， 為為對應(yīng)的參比電極的電極電位，對應(yīng)的參比電極的電極電位，為表面覆蓋系數(shù)，一般而言，為表面覆蓋系數(shù)，一般而言，0 1。 根據(jù)根據(jù)(2)式可得到如下兩個結(jié)論：式可得到如下兩個結(jié)論： )/exp()1/(2RTVFKCPbPbPb2PbCVPbPb 1當(dāng)當(dāng) 由由0變化至變化至1即即Pb原子在原子在Au表面的覆蓋率由表面的覆蓋率由0增大到增大到被整體單層覆蓋時，則電壓也因此而連續(xù)變化，這一點(diǎn)與通常被整體單層覆蓋時，則電壓也因此而連續(xù)變化，這一點(diǎn)與通常電池充電過程中電勢為定值有不同之處。電池充電

8、過程中電勢為定值有不同之處。 2該式可寫成如下電容表達(dá)式該式可寫成如下電容表達(dá)式 Pb二、超級電容器技術(shù)概述二、超級電容器技術(shù)概述dVdQCPbPb/ 即為贗電容即為贗電容(pseudocapacitance)， 為為Au表面吸附一完整表面吸附一完整Pb原子單原子單層所需電荷量。層所需電荷量。將（將（2 2）式微分結(jié)合（）式微分結(jié)合（3 3）式有：）式有： CPbQ2)/exp(1/)/exp(/22RTVFKCRTVFKCRTFQCPbPbPb)1 (/PbPbPbRTFQC 對于研究較多的對于研究較多的RuO2/H2SO4體系而言，電極上發(fā)生的法拉第反應(yīng)是體系而言，電極上發(fā)生的法拉第反應(yīng)是

9、孔隙中可逆的質(zhì)子遷入或遷出。反應(yīng)式為：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)根據(jù)Nernst方程方程 (3) (4) (5) (6)二、超級電容器技術(shù)概述二、超級電容器技術(shù)概述根據(jù)根據(jù)Nernst方程方程 (1.10)表示電極材料氧化還原過程中的相對氧化程度。雖然表示電極材料氧化還原過程中的相對氧化程度。雖然該式由溶液中的氧化還原過程而來，但原則上也適用該式由溶液中的氧化還原過程而來，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程。于其它具有連續(xù)可變氧化還原程度的過程。若將若將(1.10)式與（式與（1.5）的對數(shù)形式比較，我

10、們可以得到）的對數(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。子傳輸。靜電電容器和電解電容器具有低的靜電電容器和電解電容器具有低的或零或零ESRESR和有限的和有限的ESRESR與相位的頻率與相位的頻率依賴性依賴性高操作電壓、高操作功率高操作電壓、高操作功率充放電速率受動力學(xué)限制，因而也充放電速率受動力學(xué)限制，因而也受限于動力學(xué)。受限于動力學(xué)。受電活性物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)及電解質(zhì)分解受電活性物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)及電解質(zhì)分解電壓的影響，操作電壓

11、較低電壓的影響，操作電壓較低靜電電容器、雙電層電容器靜電電容器、雙電層電容器贗電容超級電容器贗電容超級電容器電池及超級電容器的優(yōu)缺點(diǎn)及特性電池及超級電容器的優(yōu)缺點(diǎn)及特性 9090相角相角無限可逆無限可逆電容不隨電壓而變電容不隨電壓而變可自我指示充放電程度可自我指示充放電程度相位角是頻率的函數(shù)，但具有傳輸線相位角是頻率的函數(shù)，但具有傳輸線行為。行為。高度可逆高度可逆電容與電壓有關(guān)電容與電壓有關(guān)可自我指示充放電程度可自我指示充放電程度能夠在一定的電位下保持恒電流放能夠在一定的電位下保持恒電流放電。電。有固定的自由能有固定的自由能能保持恒電流放電。能保持恒電流放電。自由能隨材料的轉(zhuǎn)化而連續(xù)變化自由能

12、隨材料的轉(zhuǎn)化而連續(xù)變化電池電池超級電容器超級電容器靜電電容器、雙電層電容器的優(yōu)缺點(diǎn)及特性靜電電容器、雙電層電容器的優(yōu)缺點(diǎn)及特性若放電過程中不發(fā)生熱力學(xué)改變，電若放電過程中不發(fā)生熱力學(xué)改變，電動勢始終保持不變。動勢始終保持不變。若不是從非常廣義的角度看，其行為若不是從非常廣義的角度看，其行為并非是電容式的。并非是電容式的。通常是不可逆的（材料不可逆性可動通常是不可逆的（材料不可逆性可動力學(xué)不可逆性）。力學(xué)不可逆性）。電位線性變化不能保持恒電流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)，電位已連續(xù)方式與熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)，相關(guān)因子是相關(guān)因子是logx/(1-x)其行為是電容式的。其行為是

13、電容式的。具有高度可逆性（具有高度可逆性（RuO2可循環(huán)可循環(huán)104-106次）次）電位線性變化能保持恒電流電位線性變化能保持恒電流到目前為止，IEC在該領(lǐng)域主要發(fā)布了以下標(biāo)準(zhǔn)：l IEC62391-1 電子設(shè)備用功率型固定雙電層電容器總規(guī)范l 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l 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l IEC62576 電動車用雙電層電容器電性能測試方法l 日本最近又提出了電子設(shè)備用鋰離子電容器電性能測試方法的提案l UN38.3的修訂過程中，專門針對超級電容器增加了新的規(guī)定。國外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)化

14、三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)化1、標(biāo)準(zhǔn)化工作體系缺失2、標(biāo)準(zhǔn)體系沒有建立3、檢測評價缺乏標(biāo)準(zhǔn)4、質(zhì)量與可靠性方面需要標(biāo)準(zhǔn)化支撐國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化原則之一原則之一 資源綜合利用資源綜合利用原則之二原則之二 綜合綜合標(biāo)準(zhǔn)化原則之三原則之三 全壽命周期全壽命周期標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建 標(biāo)準(zhǔn)化要素分析標(biāo)準(zhǔn)化要素分析l 將超級電容器需要制定的所有標(biāo)準(zhǔn)看成一個標(biāo)準(zhǔn)綜合體將超級電容器需要制定的所有標(biāo)準(zhǔn)看成一個標(biāo)準(zhǔn)綜合體；l 標(biāo)準(zhǔn)化要素包括標(biāo)準(zhǔn)化要素包括：原料、電極材料和電解液、超級電容器單原料、電極材料和電解液、超級電容器單體、超級電容器組、生產(chǎn)技術(shù)、測試和檢驗方法、體、超級電容

15、器組、生產(chǎn)技術(shù)、測試和檢驗方法、接口、接口、包裝、包裝、貯存、運(yùn)輸、回收要求技術(shù)要求貯存、運(yùn)輸、回收要求技術(shù)要求；l 確定標(biāo)準(zhǔn)化對象。確定標(biāo)準(zhǔn)化對象。三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建超級電容器標(biāo)準(zhǔn)化要素圖 三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系框架三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系表超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系表三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建編號編號項目代號項目代號名名 稱稱是否是否重點(diǎn)重點(diǎn)所屬行業(yè)所屬行業(yè)類別類別狀態(tài)狀態(tài)1 12012-2176T-SJ2012-2176T-SJ超級電容器分類及型號命名方

16、法超級電容器分類及型號命名方法是是電子電子行標(biāo)行標(biāo)已立項已立項2 22012-2191T-SJ2012-2191T-SJ動力型超級電容器電性能測試方法動力型超級電容器電性能測試方法是是電子電子行標(biāo)行標(biāo)已立項已立項3 32012-2388T-SJ2012-2388T-SJ超級電容器充電器通用技術(shù)要求超級電容器充電器通用技術(shù)要求電子電子行標(biāo)行標(biāo)已立項已立項4 42012-2389T-SJ2012-2389T-SJ超級電容器術(shù)語超級電容器術(shù)語電子電子行標(biāo)行標(biāo)已立項已立項5 5超級電容器安全技術(shù)要求超級電容器安全技術(shù)要求電子電子國標(biāo)國標(biāo)已行標(biāo)立已行標(biāo)立項項, ,正申報正申報國標(biāo)國標(biāo)7 7電網(wǎng)削峰填谷用

17、超級電容器規(guī)范電網(wǎng)削峰填谷用超級電容器規(guī)范是是電子電子行標(biāo)行標(biāo)已立項已立項8 8軌道交通用超級電容器規(guī)范軌道交通用超級電容器規(guī)范是是電子電子行標(biāo)行標(biāo)已立項已立項9 9數(shù)據(jù)通訊用鋰離子電容器規(guī)范數(shù)據(jù)通訊用鋰離子電容器規(guī)范電子電子行標(biāo)行標(biāo)申報中申報中1010風(fēng)力變漿系統(tǒng)后備電源用超級電容器規(guī)風(fēng)力變漿系統(tǒng)后備電源用超級電容器規(guī)范范電子電子行標(biāo)行標(biāo)申報中申報中表1標(biāo)準(zhǔn)立項項目超級電容器標(biāo)準(zhǔn)制定情況 三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建三、超級電容器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建0200040006000800010000 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

18、比能量對比四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)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小時小時/天天10年年 LIB2.5元元/瓦時瓦時500次次0.7元元/kWh DLC90元元/瓦時瓦時50萬次萬次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(10萬萬次次)四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)經(jīng)濟(jì)性圖4 各種儲能技術(shù)功率密度對比四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域n 上世紀(jì)七十年代

19、，美軍將該技術(shù)用于一種電子設(shè)備防止主電源供斷上世紀(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，并制定了一份國防部采購規(guī)范后防止信息丟失而進(jìn)行供電記錄，并制定了一份國防部采購規(guī)范DoD-C-29501-1986固定雙電層電容器固定雙電層電容器。n 在在ETC應(yīng)用中，一種技術(shù)是將鋰原電池與超級電容器結(jié)合使用。鋰原應(yīng)用中，一種技術(shù)是將鋰原電池與超級電容器結(jié)合使用。鋰原電池能量密度高、但功率密度小，而超級電容器的能量密度小、但功率電池能量密度高、但功率密度小，而超級電容器的能量密度小、但功率密度大，二者結(jié)合使用，剛好取長補(bǔ)短，滿足高脈沖輸出、長壽命的要密度大，二者

20、結(jié)合使用，剛好取長補(bǔ)短，滿足高脈沖輸出、長壽命的要求。由于雙電層型的超級電容器的漏電流大，采用混合型超級電容器，求。由于雙電層型的超級電容器的漏電流大，采用混合型超級電容器，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，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)用于智能表計等領(lǐng)域。還可應(yīng)用于智能表計等領(lǐng)域。1、電子設(shè)備領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域四、超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域n 低溫啟動是超級電容器的典型的應(yīng)用領(lǐng)域。超級電容器結(jié)合蓄低溫啟動是超級電容器的典型的應(yīng)用領(lǐng)域。超級電容器結(jié)合蓄電池技術(shù)應(yīng)用可以提高機(jī)車的低溫啟動性能。在低溫下，由于蓄電池技術(shù)應(yīng)用可以提高機(jī)車的低溫啟動性能。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或需多次啟動才能成電池的性能大大下降，很可能不能正常啟動或需多次啟動才能成功，而超級電容器可以在功，而超級電容器可以在-40 進(jìn)行可靠點(diǎn)火。進(jìn)行