超级电容器技术标准与应用

超级电容器技术标准与应用第一页，共31页。主要内容超级电容标准工作组简介1

2超级电容器应用领域4超级电容器技术概述超级电容器标准化3第二页，共31页。一、超级电容标准工作组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）第三页，共31页。资质授权

QualificationAuthorization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第四页，共31页。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、ITILV3、PRINCE2培训与考试机构蓝光光碟联盟授权国际认证测试中心（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（DolbyDigital）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)第五页，共31页。二、超级电容器技术概述Figure1Comparisonbetweendifferenttypesofenergystoragemechanisms.Thevariationofthepotentialwiththeamountofchargeextractedisshownabove,andtheamountofenergyavailableisshownbelowbytheareasunderthecurves.QmaxVmaxVQmaxQVmaxVQmaxQVmaxVVmaxVQmaxQVmaxVVmaxVQmaxQQmaxQ双电层电极双电层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QHuggins,A.Robert,SolidStateIonics,2000,134,179.

第六页，共31页。Stern模型的双电层电位分布图(a)电荷分布；（b）电位分布二、超级电容器技术概述Helmholts、Chapman、Stern、Grahame、Bockris第七页，共31页。式中为金属电位，为溶液电位，为离子与电极之间的最近距离(等于离子半径)的电位。对电荷密度微分：

式中为双电层电容，

为紧密层电容；为分散层电容，等于两个串联电容

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层电容串连组成，如图所示：

二、超级电容器技术概述第八页，共31页。对欠电位沉积而言，一个常见的例子是Pb在Au表面上的沉积，相应的反应可用下式表示：

Au+Pb2++2xe-=Au·xPb（1）一种理想的情形是Pb在电极上的吸附服从电化学Langmuir等温方程：（2）

为电解质溶液中Pb2+的浓度，为对应的参比电极的电极电位，为表面覆盖系数，一般而言，0<<1。但存在多层吸附时，>1。

根据(2)式可得到如下两个结论：

1．当由0变化至1即Pb原子在Au表面的覆盖率由0增大到被整体单层覆盖时，则电压也因此而连续变化，这一点与通常电池充电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

二、超级电容器技术概述第九页，共31页。即为赝电容(pseudocapacitance)，为Au表面吸附一完整Pb原子单层所需电荷量。将（2）式微分结合（3）式有：

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Nernst方程

(3)

(4)

(5)

(6)二、超级电容器技术概述第十页，共31页。根据Nernst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。若将(1.10)式与（1.5）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。第十一页，共31页。静电电容器和电解电容器具有低的或零ESR和有限的ESR与相位的频率依赖性高操作电压、高操作功率充放电速率受动力学限制，因而也受限于动力学。受电活性物质化学性质及电解质分解电压的影响，操作电压较低静电电容器、双电层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90°相角无限可逆电容不随电压而变可自我指示充放电程度相位角是频率的函数，但具有传输线行为。高度可逆电容与电压有关可自我指示充放电程度第十二页，共31页。能够在一定的电位下保持恒电流放电。有固定的自由能能保持恒电流放电。自由能随材料的转化而连续变化电池超级电容器静电电容器、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，电动势始终保持不变。若不是从非常广义的角度看，其行为并非是电容式的。通常是不可逆的（材料不可逆性可动力学不可逆性）。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，相关因子是log[x/(1-x)]其行为是电容式的。具有高度可逆性（RuO2可循环104-106次）电位线性变化能保持恒电流第十三页，共31页。到目前为止，IEC在该领域主要发布了以下标准：IEC62391-1电子设备用功率型固定双电层电容器总规范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IEC62391-2-2第2部分电子设备用固定双电层电容器分规范IEC62576电动车用双电层电容器电性能测试方法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、超级电容器标准化第十四页，共31页。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第十五页，共31页。原则之一资源综合利用原则之二综合标准化原则之三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第十六页，共31页。

标准化要素分析

将超级电容器需要制定的所有标准看成一个标准综合体；

标准化要素包括：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、接口、包装、贮存、运输、回收要求技术要求；

确定标准化对象。三、超级电容器标准体系构建第十七页，共31页。超级电容器标准化要素图三、超级电容器标准体系构建第十八页，共31页。标准体系框架三、超级电容器标准体系构建第十九页，共31页。超级电容器标准体系表三、超级电容器标准体系构建第二十页，共31页。编号项目代号名称是否重点所属行业类别状态12012-2176T-SJ超级电容器分类及型号命名方法是电子行标已立项22012-2191T-SJ动力型超级电容器电性能测试方法是电子行标已立项32012-2388T-SJ超级电容器充电器通用技术要求电子行标已立项42012-2389T-SJ超级电容器术语电子行标已立项5超级电容器安全技术要求电子国标已行标立项,正申报国标7电网削峰填谷用超级电容器规范是电子行标已立项8轨道交通用超级电容器规范是电子行标已立项9数据通讯用锂离子电容器规范电子行标申报中10风力变浆系统后备电源用超级电容器规范电子行标申报中表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第二十一页，共31页。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比能量对比四、超级电容器应用领域第二十二页，共31页。

G7.8元/升10000大卡/公斤0.72g/ml

PV200天/年8小时/天10年

LIB2.5元/瓦时500次0.7元/kWh

DLC90元/瓦时50万次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(10万次)四、超级电容器应用领域技术经济性第二十三页，共31页。图4各种储能技术功率密度对比四、超级电容器应用领域第二十四页，共31页。四、超级电容器应用领域第二十五页，共31页。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DoD-C-29501-1986《固定双电层电容器》。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，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第二十六页，共31页。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-40℃进行可靠点火。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，节省30％左右的能量。

2、动力用领域四、超级电容器应用领域第二十七页，共31页。国际电工委员会（IEC）《电能源存储白皮书