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科超容严小勇：超级电容与储能

  2021年由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、中国化学与物理电源行业协会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨首届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新储能、新动力、新发展”。

会后，为了能让参会代表有更深入的行业交流，小编经过演讲专家本人同意和审核，将演讲专家的速记整理如下：

严小勇：今天很有幸作为公司代表工作分享今天的超级电容在储能领域的应用。

新型储能在特定的场景有起独特的优势，需要我们共同努力，把这个新型的储能系统在未来储能领域的影响进一步的扩大。

今天我分享的主题是超级电容与储能。

储能主要在五大领域应用：发电、辅助服务和输配电领域，、可再生和用户侧。模式基于能源的两种特性，一个是容量型的，第二个是功率型的，功率型的毫无疑问像超级电容器，包括林总讲的碳酸锂，以及飞轮，都是比较好的功率器件。能量型的代表毫无疑问是锂电池，目前对于市场的普及程度也很高，很多时候大家会把锂电池，通过装载更多的装机容量解决功率需求的问题。

我做了一个比对，目前铅酸和锂电池，包括飞轮，还有我今天要讲的超级电容器这几种储能类型的参数比对。可以看得出：除了超级电容器当前所有储能器件基本上没有实现单位质量上达到5千瓦或者是更高的水平。循环寿命不用说，基本上百万次，跟飞轮一样的，包括温度以及充放电效率等都有较好的技术优势。

（图）右上角也列了超容除了有更高的能量效率，在充放电速率和安全性优势明显。右下角虽然它是属于储能器件，也是属于国家储能行业发展支持项目，当前大的问题在于单位能量密度成本较高。

从多维度雷达图可以看出，超级电容当前仅在单位的能量成本和能量密度优势较弱。

我把刚才比对的几种各自的优劣势，锂电池确实是行业使用领域广的，但是后面面临的问题、痛点就在于现阶段锂电池的可回收性差，还未寻找到一种合理有效的方式方法，现阶段回收过程的能量消耗比回收产生的经济价值高。

飞轮能量密度跟超容相比差不多，基本上算是超级电容在储能领域应用的直接竞争对手，目前飞轮储能基本上几种少数可选的规格状态，可选比较少，特定领域无法实现优配置。相比于飞轮，超级电容储能系统如锂电池形式一样，可以按照客户需求做任意组合，比较灵活实现储能系统组建。

基于超级电容独有的特性，我们公司现在在做一个研究，（图）右侧我们提出的用超级电容加锂电池的复合能源方式，解决特定场景的使用，基本的原理就是利用超级电容器的高功率和锂电池的高能量特性，实现1+1大于2的模式，后面有比较详细的方案介绍。

超级电容器的简介

从结构上来讲确实和锂电池差不多，主体为电极、隔膜、电解质。区别在哪里？超级电容电极正负极和电池有区别，正负极均为基于锂箔涂覆活性炭的结构，属于完全对称结构。从下面的图可以看出，作为双电层电容器，介于物理电容和电化学之间的器件，所以在反应的过程当中没有像锂电池的反应充放电的时候有锂离子的穿梭，充放电的过程中为正负电荷的转移过程。从右侧的图可以看出，超级电容充放电过程电压变化基本和SOC为一一对应的关系，不像化学类电池充放电过程存在平电压区，对于超容来讲，超容管理系统就技术实现难度比锂电池小得多，基本上一个电压点对应一个SOC点，并且内阻或者是温度对于算法的影响几乎很小。

关于超级电容这么一个特殊的器件用在哪里？我做了七个总结。如果储能系统当中有7种可能性的话，超容是一种非常合适能源器件。

超级电容在储能领域有什么应用？从发电侧、输电侧、用户侧都有应用场景，接下来做详细描述。

基于超容毫秒级的响应，可以提高一次调频的暂态和稳态性能，减少传统机组的频繁启动，快速维护电网频率的稳定都有它的优势。

现在有好多火电厂基本上把一次调频放弃掉了，直接使用二次调频方式。我们看到每天的波动比较大，基本上有百上千次的波动，对于锂电池列举的5千次循环，大家也知道锂电池单体的标准充放电5千次循环没有问题，如果要做到像兆瓦级的大储能系统对于锂电池来讲如果每天频繁波动上千次，以我们的测算不到两年的时间，这个对于要想用纯锂电池的方式解决一次调频，成本代价非常大。

我们也做了一个测算，关于一次调频，对于锂电池选择1C或者是2C的方式，对于单次的EPC总造价来讲，我认为我们超容的初次投入，1750万虽然略高，但是全生命周期超级电容有10年寿命，经济效益明显。

AGC调频，功率波动因为频率的影响，特别是波动很频繁的地方，由超级电容来完成，高频率脉冲由超级电容实现，前端的低频大功率由锂电池完成，以这种方式超级电容储能承担尖峰负荷部分，通过这种方式减少电池的充放电次数，延长整个储能系统的生命周期，间接性的提高整个储能系统全生命周期的经济效益。

关于新能源发电，不管是风力或者是光伏，使用“锂电池+超级电容”混合储能系统方式经济效益明显。

关于新能源发电面临的问题。

面临问题：风电发电系统输出功率具有不稳定性和间歇性的，光伏一片云彩遮到之后，瞬间的发电功率由原来的10兆直接0是有可能的。传统单蓄电池储能方式电池过早失效或容量损失，周期使用系统成本高。

超级电容储能用途，利用其功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等无可替代的优良特性；有效抑制系统的短时功率波动，处理尖峰负荷。基于锂电池和超级电容这种复合电源模式，按照新能源配置10%或者是15%一小时两小时的方式来解决新能源消纳方式得到基本保证。混合储能系统能有效平抑系统功率波动，减少蓄电池充放电次数，延长蓄电池寿命，因为超级电容的加入，能有效解决解决负荷跟踪、优化调度、负荷预测等，技术优势明显。

基于刚才提到的混合储能方式，我们做了测算。单一的锂电池2兆瓦，配置4兆瓦时。现在因为有超级电容加入，锂电池能量配置比可做适当减小，从单次的投入来讲略高一些，但是因为整个系统全生命周期来讲比前面高得多，这个成本可以看得出来的。

这张图是江苏电力院做的，关于电网侧的调频，有超容的加入，保证用户侧的投诉很少，整个电网的合格率实现100%，用户侧的闪电现象大大降低或者消除。

在UPS不间断电源领域，超级电容作为短时解决分钟级能源有三个地方可以用。

第一在数据中心：一般来讲，电网突然断电之后有几十秒的供电，完成所有的主机正常调电的过程当中数据保存之后，系统及时掉电也不会造成数据丢失，超级电容可作为后备电源提供分钟级内供能。

第二作为桥接电源，现在的电力系统从电网侧化学类电池作为储能端，后一道防线为柴油发电机组，从UPS电源到柴油发电机组，这个切换过程会出现滞后，超级电容做一个桥接电源作为过渡支撑，可以实现0毫秒的切换。

第三提高电能质量来讲，用户对于电能质量要求比较敏感，在重庆发生的事情不少。前几年的重庆京东方，一家做半导体器件企业，再一次电网测的秒级的断电会造成整个生产线半导体器件全部失效，损失上亿。这个图是我们做的200千伏安的3秒的DVR暂降设备，如果电网侧发现电能质量的突变，电压暂降系统启动，充分保证电网晃电对生产线不产生影响（电网一般的变化1到2秒）。

后简单介绍下我们公司，公司与2018年7月成立，由中科院百人计划获得者刘双翼博士创建。早期在美国纽约大学专门做美国能源局的项目，专门做超级电容器件的材料开发，目前市面上能够看到的超级电容额定电压为2.7V，我们公司用有3.0，3.2超级电容器产品材料体系的全部知识产权，全球首款3.2V双电层超级电容器（EDLC）产品已通过中国赛宝实验室权威认证合格。

公司已开发出具有完全自主知识产权的高性能核心电极材料、电解质和高能量密度EDLC器件，电压平台为3.0V/3.2V（行业2.7V），容量从1F～3000F,产品形态涵盖导针型、焊针型、激光焊接型、软包以及模组（系统）等。

团队开发的石墨烯复合碳基材料的比表面远高于目前商业用活性碳，微孔比例增多含氧量降低，结构的变化均有利于制备高耐压、高容量的双电层电极。同时团队开发的高耐压电解质的电化学窗口未来可达到3.5V。

我司拥有现阶段行业内电压高的超级电容产品，性能与行业内2.7V产品相差无几，3.0V及更高电压产品可靠性行业领先。

我司超级电容制造和行业比有两道特殊工序，第一个是碳材料的第二次烧结，第二个是电解液配制。因为要达到3.0V或者是3.2V的电压，保持一个稳定的技术状态，核心的材料就是电解液和碳材料，二者缺一不可。目前行业内3.0V超级电容器电解液基本上可以买到，但是碳材料为空白。

以产品来讲，3.0伏或者是整个容量相比，我们可以在同体积质量下实现更高能量的能量和功率密度，在大型储能系统应用中，基于我司高电压产品能实现更小的体积或者是更小的一次性成本投入。

关于我司超级电容产品高温耐久寿命和行业相比（测试方法：在65度高温已额定电压浮充1500小时，观察容量内阻变化），蓝色是我们的产品，都会比当前3.0比行业的产品性能优异。

关于我司工程服务能力：特殊结构尺寸和性能要求的单体、模组开发，均压和管理系统我司在深圳设有分公司专门开发。同时可以按需定制开发混合储能配置的系统解决方案。未来我司还能承接委托开发以及产品性能测评，我司为电容器核心材料测试标准制定的起草单位之一。

关于我司未来技术发展路线：2024年实现3.5V双电层超级电容开发，能量密度达到18～25Wh/kg，基于氧化还原电解质实现能量密度达到30～60Wh/kg，未来将不断提高超级电容器能量密度，满足更多储能领域使用要求。

今天的分享大致到此，谢谢大家！

原标题：中科超容严小勇：超级电容与储能

 

 

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