中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2021年由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨首屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“新儲(chǔ)能、新動(dòng)力、新發(fā)展”。
會(huì)后，為了能讓參會(huì)代表有更深入的行業(yè)交流，小編經(jīng)過(guò)演講專(zhuān)家本人同意和審核，將演講專(zhuān)家的速記整理如下：
嚴(yán)小勇：今天很有幸作為公司代表工作分享今天的超級(jí)電容在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。
新型儲(chǔ)能在特定的場(chǎng)景有起獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，需要我們共同努力，把這個(gè)新型的儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來(lái)儲(chǔ)能領(lǐng)域的影響進(jìn)一步的擴(kuò)大。
今天我分享的主題是超級(jí)電容與儲(chǔ)能。
儲(chǔ)能主要在五大領(lǐng)域應(yīng)用：發(fā)電、輔助服務(wù)和輸配電領(lǐng)域，、可再生和用戶(hù)側(cè)。模式基于能源的兩種特性，一個(gè)是容量型的，第二個(gè)是功率型的，功率型的毫無(wú)疑問(wèn)像超級(jí)電容器，包括林總講的碳酸鋰，以及飛輪，都是比較好的功率器件。能量型的代表毫無(wú)疑問(wèn)是鋰電池，目前對(duì)于市場(chǎng)的普及程度也很高，很多時(shí)候大家會(huì)把鋰電池，通過(guò)裝載更多的裝機(jī)容量解決功率需求的問(wèn)題。
我做了一個(gè)比對(duì)，目前鉛酸和鋰電池，包括飛輪，還有我今天要講的超級(jí)電容器這幾種儲(chǔ)能類(lèi)型的參數(shù)比對(duì)?？梢钥吹贸觯撼顺?jí)電容器當(dāng)前所有儲(chǔ)能器件基本上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)單位質(zhì)量上達(dá)到5千瓦或者是更高的水平。循環(huán)壽命不用說(shuō)，基本上百萬(wàn)次，跟飛輪一樣的，包括溫度以及充放電效率等都有較好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
（圖）右上角也列了超容除了有更高的能量效率，在充放電速率和安全性?xún)?yōu)勢(shì)明顯。右下角雖然它是屬于儲(chǔ)能器件，也是屬于國(guó)家儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展支持項(xiàng)目，當(dāng)前最大的問(wèn)題在于單位能量密度成本較高。
從多維度雷達(dá)圖可以看出，超級(jí)電容當(dāng)前僅在單位的能量成本和能量密度優(yōu)勢(shì)較弱。
我把剛才比對(duì)的幾種各自的優(yōu)劣勢(shì)，鋰電池確實(shí)是行業(yè)使用領(lǐng)域最廣的，但是后面面臨的問(wèn)題、痛點(diǎn)就在于現(xiàn)階段鋰電池的可回收性差，還未尋找到一種合理有效的方式方法，現(xiàn)階段回收過(guò)程的能量消耗比回收產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值高。
飛輪能量密度跟超容相比差不多，基本上算是超級(jí)電容在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，目前飛輪儲(chǔ)能基本上幾種少數(shù)可選的規(guī)格狀態(tài)，可選比較少，特定領(lǐng)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置。相比于飛輪，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)如鋰電池形式一樣，可以按照客戶(hù)需求做任意組合，比較靈活實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)組建。
基于超級(jí)電容獨(dú)有的特性，我們公司現(xiàn)在在做一個(gè)研究，（圖）右側(cè)我們提出的用超級(jí)電容加鋰電池的復(fù)合能源方式，解決特定場(chǎng)景的使用，基本的原理就是利用超級(jí)電容器的高功率和鋰電池的高能量特性，實(shí)現(xiàn)1+1大于2的模式，后面有比較詳細(xì)的方案介紹。
超級(jí)電容器的簡(jiǎn)介
從結(jié)構(gòu)上來(lái)講確實(shí)和鋰電池差不多，主體為電極、隔膜、電解質(zhì)。區(qū)別在哪里？超級(jí)電容電極正負(fù)極和電池有區(qū)別，正負(fù)極均為基于鋰箔涂覆活性炭的結(jié)構(gòu)，屬于完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。從下面的圖可以看出，作為雙電層電容器，介于物理電容和電化學(xué)之間的器件，所以在反應(yīng)的過(guò)程當(dāng)中沒(méi)有像鋰電池的反應(yīng)充放電的時(shí)候有鋰離子的穿梭，充放電的過(guò)程中為正負(fù)電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程。從右側(cè)的圖可以看出，超級(jí)電容充放電過(guò)程電壓變化基本和SOC為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，不像化學(xué)類(lèi)電池充放電過(guò)程存在平電壓區(qū)，對(duì)于超容來(lái)講，超容管理系統(tǒng)就技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度比鋰電池小得多，基本上一個(gè)電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)SOC點(diǎn)，并且內(nèi)阻或者是溫度對(duì)于算法的影響幾乎很小。
關(guān)于超級(jí)電容這么一個(gè)特殊的器件用在哪里？我做了七個(gè)總結(jié)。如果儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中有7種可能性的話，超容是一種非常合適能源器件。
超級(jí)電容在儲(chǔ)能領(lǐng)域有什么應(yīng)用？從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、用戶(hù)側(cè)都有應(yīng)用場(chǎng)景，接下來(lái)做詳細(xì)描述。
基于超容毫秒級(jí)的響應(yīng)，可以提高一次調(diào)頻的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，減少傳統(tǒng)機(jī)組的頻繁啟動(dòng)，快速維護(hù)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定都有它的優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)在有好多火電廠基本上把一次調(diào)頻放棄掉了，直接使用二次調(diào)頻方式。我們看到每天的波動(dòng)比較大，基本上有百上千次的波動(dòng)，對(duì)于鋰電池列舉的5千次循環(huán)，大家也知道鋰電池單體的標(biāo)準(zhǔn)充放電5千次循環(huán)沒(méi)有問(wèn)題，如果要做到像兆瓦級(jí)的大儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于鋰電池來(lái)講如果每天頻繁波動(dòng)上千次，以我們的測(cè)算不到兩年的時(shí)間，這個(gè)對(duì)于要想用純鋰電池的方式解決一次調(diào)頻，成本代價(jià)非常大。
我們也做了一個(gè)測(cè)算，關(guān)于一次調(diào)頻，對(duì)于鋰電池選擇1C或者是2C的方式，對(duì)于單次的EPC總造價(jià)來(lái)講，我認(rèn)為我們超容的初次投入，1750萬(wàn)雖然略高，但是全生命周期超級(jí)電容有10年壽命，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
AGC調(diào)頻，功率波動(dòng)因?yàn)轭l率的影響，特別是波動(dòng)很頻繁的地方，由超級(jí)電容來(lái)完成，高頻率脈沖由超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)，前端的低頻大功率由鋰電池完成，以這種方式超級(jí)電容儲(chǔ)能承擔(dān)尖峰負(fù)荷部分，通過(guò)這種方式減少電池的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的生命周期，間接性的提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)于新能源發(fā)電，不管是風(fēng)力或者是光伏，使用“鋰電池+超級(jí)電容”混合儲(chǔ)能系統(tǒng)方式經(jīng)濟(jì)效益明顯。
關(guān)于新能源發(fā)電面臨的問(wèn)題。
面臨問(wèn)題：風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有不穩(wěn)定性和間歇性的，光伏一片云彩遮到之后，瞬間的發(fā)電功率由原來(lái)的10兆直接0是有可能的。傳統(tǒng)單蓄電池儲(chǔ)能方式電池過(guò)早失效或容量損失，周期使用系統(tǒng)成本高。
超級(jí)電容儲(chǔ)能用途，利用其功率密度大、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等無(wú)可替代的優(yōu)良特性；有效抑制系統(tǒng)的短時(shí)功率波動(dòng)，處理尖峰負(fù)荷?；阡囯姵睾统?jí)電容這種復(fù)合電源模式，按照新能源配置10%或者是15%一小時(shí)兩小時(shí)的方式來(lái)解決新能源消納方式得到基本保證。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)，減少蓄電池充放電次數(shù)，延長(zhǎng)蓄電池壽命，因?yàn)槌?jí)電容的加入，能有效解決解決負(fù)荷跟蹤、優(yōu)化調(diào)度、負(fù)荷預(yù)測(cè)等，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。
基于剛才提到的混合儲(chǔ)能方式，我們做了測(cè)算。單一的鋰電池2兆瓦，配置4兆瓦時(shí)?，F(xiàn)在因?yàn)橛谐?jí)電容加入，鋰電池能量配置比可做適當(dāng)減小，從單次的投入來(lái)講略高一些，但是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)全生命周期來(lái)講比前面高得多，這個(gè)成本可以看得出來(lái)的。
這張圖是江蘇電力院做的，關(guān)于電網(wǎng)側(cè)的調(diào)頻，有超容的加入，保證用戶(hù)側(cè)的投訴很少，整個(gè)電網(wǎng)的合格率實(shí)現(xiàn)100%，用戶(hù)側(cè)的閃電現(xiàn)象大大降低或者消除。
在UPS不間斷電源領(lǐng)域，超級(jí)電容作為短時(shí)解決分鐘級(jí)能源有三個(gè)地方可以用。
第一在數(shù)據(jù)中心：一般來(lái)講，電網(wǎng)突然斷電之后有幾十秒的供電，完成所有的主機(jī)正常調(diào)電的過(guò)程當(dāng)中數(shù)據(jù)保存之后，系統(tǒng)及時(shí)掉電也不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，超級(jí)電容可作為后備電源提供分鐘級(jí)內(nèi)供能。
第二作為橋接電源，現(xiàn)在的電力系統(tǒng)從電網(wǎng)側(cè)化學(xué)類(lèi)電池作為儲(chǔ)能端，最后一道防線為柴油發(fā)電機(jī)組，從UPS電源到柴油發(fā)電機(jī)組，這個(gè)切換過(guò)程會(huì)出現(xiàn)滯后，超級(jí)電容做一個(gè)橋接電源作為過(guò)渡支撐，可以實(shí)現(xiàn)0毫秒的切換。
第三提高電能質(zhì)量來(lái)講，用戶(hù)對(duì)于電能質(zhì)量要求比較敏感，在重慶發(fā)生的事情不少。前幾年的重慶京東方，一家做半導(dǎo)體器件企業(yè)，再一次電網(wǎng)測(cè)的秒級(jí)的斷電會(huì)造成整個(gè)生產(chǎn)線半導(dǎo)體器件全部失效，損失上億。這個(gè)圖是我們做的200千伏安的3秒的DVR暫降設(shè)備，如果電網(wǎng)側(cè)發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量的突變，電壓暫降系統(tǒng)啟動(dòng)，充分保證電網(wǎng)晃電對(duì)生產(chǎn)線不產(chǎn)生影響（電網(wǎng)一般的變化1到2秒）。
最后簡(jiǎn)單介紹下我們公司，公司與2018年7月成立，由中科院百人計(jì)劃獲得者劉雙翼博士創(chuàng)建。早期在美國(guó)紐約大學(xué)專(zhuān)門(mén)做美國(guó)能源局的項(xiàng)目，專(zhuān)門(mén)做超級(jí)電容器件的材料開(kāi)發(fā)，目前市面上能夠看到的超級(jí)電容額定電壓為2.7V，我們公司用有3.0，3.2超級(jí)電容器產(chǎn)品材料體系的全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，全球首款3.2V雙電層超級(jí)電容器（EDLC）產(chǎn)品已通過(guò)中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室權(quán)威認(rèn)證合格。
公司已開(kāi)發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能核心電極材料、電解質(zhì)和高能量密度EDLC器件，電壓平臺(tái)為3.0V/3.2V（行業(yè)2.7V），容量從1F～3000F,產(chǎn)品形態(tài)涵蓋導(dǎo)針型、焊針型、激光焊接型、軟包以及模組（系統(tǒng)）等。
團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的石墨烯復(fù)合碳基材料的比表面遠(yuǎn)高于目前商業(yè)用活性碳，微孔比例增多含氧量降低，結(jié)構(gòu)的變化均有利于制備高耐壓、高容量的雙電層電極。同時(shí)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高耐壓電解質(zhì)的電化學(xué)窗口未來(lái)可達(dá)到3.5V。
我司擁有現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)電壓最高的超級(jí)電容產(chǎn)品，性能與行業(yè)內(nèi)2.7V產(chǎn)品相差無(wú)幾，3.0V及更高電壓產(chǎn)品可靠性行業(yè)領(lǐng)先。
我司超級(jí)電容制造和行業(yè)比有兩道特殊工序，第一個(gè)是碳材料的第二次燒結(jié)，第二個(gè)是電解液配制。因?yàn)橐_(dá)到3.0V或者是3.2V的電壓，保持一個(gè)穩(wěn)定的技術(shù)狀態(tài)，核心的材料就是電解液和碳材料，二者缺一不可。目前行業(yè)內(nèi)3.0V超級(jí)電容器電解液基本上可以買(mǎi)到，但是碳材料為空白。
以產(chǎn)品來(lái)講，3.0伏或者是整個(gè)容量相比，我們可以在同體積質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)更高能量的能量和功率密度，在大型儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中，基于我司高電壓產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)更小的體積或者是更小的一次性成本投入。
關(guān)于我司超級(jí)電容產(chǎn)品高溫耐久壽命和行業(yè)相比（測(cè)試方法：在65度高溫已額定電壓浮充1500小時(shí)，觀察容量?jī)?nèi)阻變化），藍(lán)色是我們的產(chǎn)品，都會(huì)比當(dāng)前3.0比行業(yè)的產(chǎn)品性能優(yōu)異。
關(guān)于我司工程服務(wù)能力：特殊結(jié)構(gòu)尺寸和性能要求的單體、模組開(kāi)發(fā)，均壓和管理系統(tǒng)我司在深圳設(shè)有分公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)。同時(shí)可以按需定制開(kāi)發(fā)混合儲(chǔ)能配置的系統(tǒng)解決方案。未來(lái)我司還能承接委托開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品性能測(cè)評(píng)，我司為電容器核心材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制定的起草單位之一。
關(guān)于我司未來(lái)技術(shù)發(fā)展路線：2024年實(shí)現(xiàn)3.5V雙電層超級(jí)電容開(kāi)發(fā)，能量密度達(dá)到18～25Wh/kg，基于氧化還原電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量密度達(dá)到30～60Wh/kg，未來(lái)將不斷提高超級(jí)電容器能量密度，滿(mǎn)足更多儲(chǔ)能領(lǐng)域使用要求。
今天的分享大致到此，謝謝大家！
