碳材料家族中的佼佼者——超級電容活性炭

超級電容器(Supercapacitors)也稱為電化學(xué)電容器、雙電層電容器,是源于上世紀(jì)八十年代美國“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃。它是通過極化電解質(zhì)來儲能的一種功率型電化學(xué)儲能器件。超級電容器利用電極/電解質(zhì)交界面上的雙電層或發(fā)生的二維/準(zhǔn)二維法拉第反應(yīng)(極化電解質(zhì))來儲能的一種新型電儲能器件。超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和外殼組成;與傳統(tǒng)化學(xué)電源(如鉛碳電池、鋰電池等)相比,具有充電時間短(秒級)、響應(yīng)速迅速(毫秒級)、使用壽命長(可反復(fù)充電百萬次)、能量轉(zhuǎn)換效率高(大電流能量循環(huán)效率≥90%)、功率密度高(300W/kg~5000W/kg,為鋰電池的5~10倍)、溫度特性好(-45℃~+80℃)、安全系數(shù)高(內(nèi)部無活潑金屬)、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。

超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置,其容量可達(dá)幾千至上萬法拉。與傳統(tǒng)電容器相比,它具有較大的容量、較高的能量;與電池相比,它又具有較高的比功率、迅速響應(yīng)、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命,且對環(huán)境無污染。因此可以說,超級電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲裝置。
超級電容器自面市以來,全球需求量快速擴(kuò)大,已成為化學(xué)電源領(lǐng)域內(nèi)新的產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)。超級電容器不僅在新能源汽車、軌道交通、公交物流、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、電力電氣、消費(fèi)電子產(chǎn)品等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值和市場潛力,還在風(fēng)電變槳、光伏發(fā)電、機(jī)械能回收、智慧城市、國防建設(shè)等方面有著廣泛應(yīng)用。尤其是在新的軍事裝備方面更是一枝獨(dú)秀,如電磁彈射、電磁炮、激光武器、微波武器、察打一體機(jī)和核潛艇的應(yīng)急電源等。超級電容器的優(yōu)異性能和廣泛用途已經(jīng)被世界各國所關(guān)注,各國都在成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行超級電容器研究開發(fā)。

美國發(fā)明院院士、華人科學(xué)家鄭劍平教授到訪星石
超級電容器的電極材料是超級電容器的關(guān)鍵活性材料,在超級電容器的成本中占到約30-40%份額。超級電容器電極材料主要分為碳材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料三大類。由于導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物等作為電極材料還處于實(shí)驗(yàn)室階段,從實(shí)用角度來講,碳材料是目前超級電容器各類電極材料中最具吸引力的。而在電極碳材料中,活性炭材料是用量最大、最經(jīng)濟(jì)的電極材料。電極材料已經(jīng)成為影響超級電容器性能和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素,因此可以說,對于超級電容器的研究幾乎都是圍繞著電極材料進(jìn)行的。我國超級電容器電極材料研發(fā)工作滯后,國產(chǎn)電極材料存在性能不佳、價格高和可選擇范圍小等問題,導(dǎo)致我國超級電容器電極材料一直依賴進(jìn)口,其中日本可樂麗活性炭電極材料占據(jù)我國市場份額的70-80%。所以,我國在超級電容器的核心部分——高性能電極材料的生產(chǎn)和供應(yīng)存在瓶頸,使得我國超級電容器成本居高不下,嚴(yán)重制約了我國超級電容器的發(fā)展。

國家工業(yè)與信息化部科技司巡視員畢開春到星石公司調(diào)研
作為超級電容器中唯一的儲能活性物質(zhì),對其電化學(xué)性能有著極其苛刻的要求,不僅需要對其宏微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)和調(diào)控,特別是工程化方面復(fù)雜的極高的技術(shù)難度更需要無數(shù)次工程化的實(shí)驗(yàn)。北海星石碳材料科技有限責(zé)任公司是以椰殼活性炭研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為主的專業(yè)公司。星石公司歷時八年研發(fā)、兩年中試、四年的規(guī)模化生產(chǎn)線建設(shè)。一系列創(chuàng)新工藝、創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用,星石公司的中試線及產(chǎn)品,即“300噸/年高品質(zhì)有機(jī)體系超級電容活性炭連續(xù)化制備技術(shù)及產(chǎn)品”,于2018年12月通過了由中國超級電容器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國電工學(xué)會共同組織,工信部、科技部參加的鑒定會,由中國軍事科學(xué)院軍事電源中心主任、中國工程院楊裕生院士為主任委員的技術(shù)鑒定委員會認(rèn)為,“該成果打破了國外技術(shù)壟斷并實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平”。該成果為超級電容活性炭的進(jìn)口替代,超級電容器產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),解決了這一關(guān)鍵材料的“卡脖子”問題。


星石公司投資新建的北海星石新能源材料產(chǎn)業(yè)園一期工程,2000噸/年超級電容活性炭,擁有我國最大規(guī)格的斯列普活化爐,規(guī)模化生產(chǎn)超級電容活性炭的生產(chǎn)線已經(jīng)于2021年建成,現(xiàn)在處于試生產(chǎn)階段。星石的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠,可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保,低成本,大規(guī)?;I(yè)生產(chǎn)。

星石公司生產(chǎn)的超級電容活性炭已經(jīng)國內(nèi)許多大專院校、科研單位測試,經(jīng)過許多家超級電容器企業(yè)試用,證明星石公司生產(chǎn)的椰殼基超級電容活性炭具有容量高、雜質(zhì)少、內(nèi)阻小、循環(huán)性能和倍率性能好、漏電流小等特點(diǎn),其性能達(dá)到或超過進(jìn)口產(chǎn)品。
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,在我國積極貫徹碳中和、碳達(dá)峰政策的形勢下,新能源和電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,隨著超級電容器成本進(jìn)一步下降,越來越多的行業(yè)和場景成為超級電容器的應(yīng)用領(lǐng)域。作為超級電容器最關(guān)鍵的活性炭電極材料,正在不斷地突破技術(shù)、成本、規(guī)?;榷嘀仄款i,不斷地挖掘性能潛力,使其成為未來能源領(lǐng)域的"魔力"材料,為未來綠色、和諧的人類生活和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

星石公司長期以來致力于碳材料從環(huán)保凈化科技到新能源儲能科技領(lǐng)域的前沿領(lǐng)先產(chǎn)品的研發(fā)和制造,三大系列產(chǎn)品均處于國內(nèi)領(lǐng)先全球先進(jìn)水平。特別是公司《300噸/年高品質(zhì)有機(jī)體系超級電容器用活性炭連續(xù)化制備技術(shù)及應(yīng)用》產(chǎn)品和技術(shù)經(jīng)中國工程院楊裕生院士為主任委員的科技成果鑒定委員會鑒定評價為“該成果打破了國外技術(shù)壟斷并實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平”。公司年產(chǎn)2000噸超級電容活性炭生產(chǎn)線已正式投料生產(chǎn),將使得我國超級電容活性炭國產(chǎn)化、規(guī)?;蔀榭赡埽蔀槲覈夒娙萜鹘档统杀竞推占笆褂米龀隽素暙I(xiàn),為我國儲能行業(yè)促進(jìn)發(fā)展補(bǔ)鏈、強(qiáng)鏈做出了貢獻(xiàn)。

星石公司擁有國內(nèi)頂尖的活性炭材料的生產(chǎn)及技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì),發(fā)明專利達(dá)50多項(xiàng),是《有機(jī)體系超級電容器用椰殼基活性炭》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)牽頭起草單位;是《黃金生產(chǎn)用顆粒活性炭》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位;是《超級電容器電極用多孔炭規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)起草單位之一。

以自主研發(fā)、聯(lián)合研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)等科技創(chuàng)新手段,面向國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)新能源材料、環(huán)保材料等新材料領(lǐng)域,為環(huán)保冶理、綠色能源、國防軍工、現(xiàn)代交通、智能電網(wǎng)、生活健康等方面提供堅(jiān)實(shí)的材料支撐,打造具有國際先進(jìn)性和國內(nèi)領(lǐng)先水平的具有高度競爭力的核心產(chǎn)品。將北海星石碳材料科技有限公司打造成為具有全球競爭力的一流碳材料企業(yè)。