简介

一、技术背景
进入90年代，为了满足机动车辆引擎的快速反应能力，延长蓄电池使用寿命，人们才开始考虑到超电容的特殊功能并尝试替换电池或与蓄电池联合成复合电源使用，以满足特定要求，从此开始了超级电容器的商业化。作为储能和节能领域最为高效的储能部件之一，超级电容器有着不可替代的作用，但是能量密度太低作为超级电容器的瓶颈，使储能系统体积大，重量重，并不能作为公交车辆的主驱动电源使用。为了顺应市场需要，急需研发新型高能量密度超级电容器。这也是此项目的研发核心和目标。
解决能量密度问题的关键核心在于：研制活化多孔石墨烯材料。
二、技术原理
利用活性炭和活化石墨烯各自的优点，制备高导电、高比表面、耐高压的活性炭/活化石墨烯复合材料。材料创新上主要是活性炭/活化石墨烯复合电极材料产业化技术，其中包括一步炭化-活化法和氢气还原去官能团技术。工业创新上主要是干法电极制备技术及规模化单体制备技术，其中包括超高速剪切分散技术和规模化制造技术。
三、应用影响
交通运输领域
将超级电容储能装置加入轨道交通直流供电系统，可在机车制动时吸收能量，启动或加速时提供部分功率支持，可抑制牵引网电压波动，提高供电网稳定性，较大限度的合理利用再生能量，减少建设和维护成本，提高低温启动性能和动能性能，提高电车循环寿命，降低成本。

绿色能源领域
独立光伏发电系统采用超级电容器储能后，能充分发挥其储能特点。超级电容器具有超级储电能力，可提供强大的脉冲功率的物理二次电源，用于风力发电系统做能量吸收储备，在风机变桨、并网时提供稳定的电能输入；配置有超级电容器组储能的新型独立光伏发电系统，能够很好的解决诸如电压波动与闪变、三相不平衡、电压暂升、暂降等电能质量问题，消除对电池依赖或减少维护。

智能电网领域
超级电容器的快速充放电和瞬时大功率特性，使其在电压补偿及改善电网质量方面发挥重要作用。当电网发生电压突降、骤升甚至间断时，超级电容器能够快速释放其能量，及时补偿电网功率，以维持电网电压的稳定。

工业领域
将超级电容器用于工程机械的混合动力驱动系统时，电机在制动过程中会产生大量的能量，一部分用以驱动执行机构，而多余的电能可存储在超级电容中。不仅可以提高电能的使用效率，而且可以减少对电网的冲击，实现回收、储存、释放电机再生制动能量，改善工程机械的起动性能；改善电源对大功率脉动负载的适应能力，提高蓄电池寿命，传送和接收峰值功率，从而有效利用能量，节省燃料。

工业节能领域应用：
地铁制动能量回收系统：能量节约率大于20%，降低对电网的冲击；
油田，港机机械：节省燃料成本，改变能源结构；

军工领域应用：
主要用于超高功率电源系统与无人机，其技术优势是超高功率放电。
从上面 产品应用介绍可以看出，本技术产品共有以下几点优势：
功率大：功率密度>15kW/kg；
寿命长：100万次循环或10年寿命，是电池近千倍；
制动能源回收效率高；
可大电流充放电：即充电快，超高功率放电，比功率是电池的数十倍；
节能：能量节约率高，能量密度>10Wh/kg；
安全：无爆炸、无燃烧现象，如图1所示；
宽使用温度：-40℃~65 ℃；
绿色环保：无重金属（Pb等）污染。

本项目产品与国际相近产品的关键技术参数的比较，如表1所示。

通过表1可得出以下结论：本技术产品的比能量是国外同类产品的两倍，远优于市场上的同类产品，达到国际领先水平。

目前，本产品已进入生试阶段，得到广泛的应用。另外，本产品的材料与传统的材料 性能比较，如表2所示。

本技术的创新点有以下几方面：
材料创新点：活性炭/活化石墨烯复合电极材料产业化技术
一步炭化-活化法：采用石油焦/氧化石墨烯混合，原位合成实现了石油焦的炭化、活化和石墨烯的活化一体化过程，构建了具有三维导电网络结构的高于2000m2/g的活性炭/活化石墨烯产品，如图2所示；
氢气还原去官能团技术：利用氢气对复合材料的热还原处理工艺，去除表面官能团，获得低于0.1meq/g表面官能团含量的活性炭/活化石墨烯复合材料，如图3所示。

工艺创新点：干法电极制备技术及规模化单体制备技术（如图4、5所示）

超高速剪切分散技术：将无粘性微米级粘结剂聚四氟乙烯PTFE粉剪切成超强粘性的纳米级长丝，从而极大提高颗粒炭材料的粘结量及高粘结性效果，形成高密度电极；
规模化制造技术：突破国外技术垄断，研制了高速剪切机、成膜机、热复合机、多级真空热传导除水系统等非标装备，实现年产100万支高比能超级电容器单体的批量化制造。

系统集成技术创新点：主动节能型单体间能量均衡技术，即新型均衡技术，此技术实现了储能系统的安全、可靠、高效、长寿命运行等实施效果。
开发了节能型超级电容器的主动均衡电路；
研制了基于分布参数自匹配的寿命优化技术；
建立了本地和远程的双重监控机制。

四、适用对象

储能式有轨电车，线路储能系统，矿上机械，油田机械，港口机械，车载辅助电源，民用储能电源，风力变桨系统，军工等12种应用类型企业。

五、案例详述

该技术方案实际应用于广州海珠线的储能，是现代有轨列车以及运用在一系列18/12米储能型无轨列车上，其型号分别为CSR6180GSEV1，CSR6120GSEV1和CSR6120GLEV1。

通过此方案在实际案例中的应用，大大加快了充电时间，增强了储电总能量，并减少了成本。

以有轨电车实例为例，储电总能量达到20kWh，工作能量达到16kWh，快速充电电流达到2800A（峰值），制动能量回收率为30%，最长充电时间仅为30s。
以无轨电车为例，峰值充电功率达到150KW-600KW，车辆最高速度可达到70km/h，最大载客量达到150人，解决了超级电容器的能量密度太低，从而导致无法使用与公共交通等领域的问题，同时还增加了经济效益和降低成本。

工艺流程简介

技术特色

目前，本技术产品应用的各技术优势如下：
储能式公共交通车辆应用：
储能式现代有轨列车：无架空电网，节能30%，站台充电时间小于30s；
超级电容纯电动公交客车：寿命大于12年，超快充30s充满，制动能量回收大于20%。