石墨烯突破口来了?和轨道交通与超级电容有啥关系?

时间:2016-9-2 来源:

2012-2015年间,国内超级电容器的市场规模由19.4亿元增长到超过70亿元,发展迅速。在业内人士看来,随着国家政策支持力度的加大以及技术的不断升级,超级电容器市场产业链爆发在即。石墨烯作为未来最有潜力的超级电容电极材料之一,能否搭上这趟快车呢?让我们一起看看。

国务院发文支持轨道交通建设,超级电容迎来新一轮发展契机

近年来,国务院将城市轨道交通(简称"轨交")项目的核准权限下放至省级投资主管部门的决定,使得众多二三线城市迎来轨交建设热潮。截至2013年底,中国已有45个城市项目申报建设城市轨道交通项目。其中39座城市已经获批,6座城市待批;共有20个城市(含香港)开通运行城市轨道交通。

据行业内估算,到2020年,城市轨道交通运营总里程将达到6000-7000 km。受此影响,近年来轨交装备产品需求量上涨,其中超级电容作为新型轨交储能装备,迎来一轮新的发展契机。

作为轨道交通储能系统,超级电容可以起到制动能量回收和稳定电压的作用。专家指出,在城市轨道车辆的能耗中,牵引能耗占了90%,车辆辅助设备能耗占10%。如采取适当的措施,如合理安排车辆运行,使用超级电容等能量管理设备,电能消耗量的40%就可以在车辆制动时反馈回供电系统,以供给正在加速的车辆使用。由于列车启动和制动时会引起电压的波动,若采用合适的能量管理设备,就可以减小电网电压的波动,从而提高供电质量。


图1城市轨道车辆的制动能耗比例

通常,城市轨道车辆运行里程长,安全要求高,对储能元件的可靠性能要求更高。据专家介绍,城市轨道车辆设计使用寿命为30年,约是普通公交车辆使用寿命的3倍。超级电容比电池有更长的循环寿命,更高的可靠性,正逐渐受到青睐。

我国新型超级电容器关键技术研究已取得重大进展


来自科技部官方微博"锐科技"8月15日消息,在"新型超级电容器"方面,突破了高能量密度、高功率密度、长寿命超级电容器的制备技术瓶颈,研制了多孔石墨烯、高耐压电解质盐和电解液、纤维素隔膜等材料,开发了干法制备电极片中试技术,突破了(3.0V/12000F)超级电容器产业化的核心技术,产品已在机械能回收、超级电容器轨道车辆方面在国内外获得应用。

消息称,目前国内在超级电容器方面从材料、器件到系统集成已形成核心技术体系,改变了超级电容器在"十一五"期间由国外产品垄断的局面。

超级电容前景广阔,市场规模可达百亿级别

国家层面超级电容政策频频出台:

在超级电容发展上,政府一贯重视。2006年、2007年就在技术层面强调了重视超级电容器的发展,之后政府又出台了对超级电容器应用补贴的政策。2016年作为"十三五"的开局之年,关于超级电容的利好消息不断。

4月份工信部印发了《工业强基2016专项行动实施斱案》,首次将超级电容器列入扶持重点。

随后,《超级电容器用有机电解液规范》通过了国家行业标准审定会,此标准是我国超级电容器材料方面的首个行业标准,有助于超级电容器电解液的规范化,推动中国超级电容器产业的技术进步。

紧接着,工信部2016年第17号公告,发布了包括机械行业、汽车行业、电子行业等在内的587项行业标准。其中,包括《超级电容器分类及型号命名方法》电子行业标准。根据发布信息,该标准自9月1日起正式实施,是我国第一项超级电容器领域的基础标准。

在国家发改委、国家能源局下发的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》以及《能源技术革命重点创新行动路线图》中,也提出发展大容量超级电容储能技术。

在《能源技术革命重点创新行动路线图》中,提出的具体目标为,"

开发新型电极材料、电解质材料及超级电容器新体系。开展高性能石墨烯及其复合材料的宏量制备,探索材料结构与性能的作用关系;

开发基于钠离子的新型超级电容器体系。研究高能量混合型超级电容器正负电极制备工艺、正负极容量匹配技术;

研发能源密度30Wh/kg、功率密度5000W/kg的长循环寿命超级电容器单体技术。研究超级电容器模块化技术,突破大容量超级电容器串并联成组技术。研究10MW级超级电容器储能装置系统集成关键技术,突破大容量超级电容器应用于制动能量回收、电力系统稳定控制和电能质量改善等的设计与集成技术。"

市场前景广阔

据了解,国外研究超级电容器起步较早,技术相对成熟,处于领先地位。美国的USMSC计划、日本的NewSunshine计划和欧洲的PNGU计划均将超级电容器列入开发内容。

全球来看,2015年全球超级电容器市场规模达到173亿美元。据Navigant预计,2014年到2023年超级电容器市场将增长约20倍,年均复合增长率达到39%,可见超级电容器市场的潜力巨大。

就国内来看,国内超级电容器的市场规模逐年提升,2012-2015年间,国内超级电容器的市场规模由19.4亿元增长到超过70亿元,发展迅速。在业内人士看来,随着国家政策支持力度的加大以及技术的不断升级,超级电容器市场产业链爆发在即。

石墨烯基超级电容器研究进展


石墨烯基超级电容器材料存在的问题

限制石墨烯基超级电容电极材料发展的主要问题是由于范德华力的存在,石墨烯片层易团聚,其实际的表面积小于800m2/g,其比电容限制在300F/g左右;因此,石墨烯与其他材料复合、改性以提高其性能成为研究的热点之。

目前,提高石墨烯材料的电容性能主要有两条途径:

(1)在二维石墨烯中引入其他维度的碳材料构建三维碳基材料,有效阻止石墨烯片的积聚,保持其高比表面积和高导电性能,提高离子传输和电子传递速率;

(2)引入纳米级的赝电容成分,构建高导电性的分级多孔电极材料,增加单位基体面积上材料负载率,提供电子传输和离子传递的高速通道,保证赝电容反应有充足的电解质离子和电子,提高重复充放电过程中电化学稳定性,获得在给定面积和空间上高能量密度与功率密度。

目前存在的问题:

(1)石墨烯的制备,如何以成本低廉、环境友好的方式制备大面积、高质量和层数厚度可控的石墨烯,提高负载密度以获得高的体积比性能,是其进一步应用的技术障碍。而在制备原理上,需加强对石墨烯及各组分的形成机理、形核、生长等过程的研究,从分子和原子水平研究各过程石墨烯及各组分的变化、生长等规律;对石墨烯表面功能化加强理论研究,从理论上加强对石墨烯功能化的指导;加强对石墨烯复合材料制备过程中热力学及动力学的研究,从微观加深对各制备过程的理论认识。

(2)研究石墨烯复合材料的结构性能与各制备过程之间的关系,为改进石墨烯复合材料制备方法及优化石墨烯复合材料结构提供理论指导。

(3)如何实现石墨烯基复合材料的结构优化与控制。充分研究石墨烯基复合材料的结构与性能之间的关系,通过结构的优化和控制,合成具有高比表面积、高导电性、高负载率、高空间利用率的复合材料,从而获得高能量密度和功率密度,优异循环稳定性等的超级电容器。

(4)超级电容器在实际操作过程中的安全性。超级电容器在实际应用中的安全问题和绿色化学都应该被考虑到。

目前,石墨烯基复合材料的研究依然处于初始阶段,在设计和合成新颖的石墨烯基复合电极材料从而获得高能量密度、功率密度以及长循环寿命的高性能超级电容器方面仍然有较大的空间。相信石墨烯基复合材料的进一步研究,将会推动下一代电化学储能器件的发展,并广泛应用于其他领域。 

原标题:石墨烯突破口来了?国家支持轨道交通,超级电容市场将达百亿!

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