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中国科学报|掌握超级电容发展主动权-中科院山西煤化所709课题组主持制定超级电容器用电极片首个国际标准

时间:2022-05-27   作者:
      近日,中国科学院山西煤炭化学研究所(简称山西煤化所)主持制定的国际标准IEC/TS 62565-5-1 Nanomanufacturing – Material Specifications – Part 5-2: Nano-enabled electrodes of electrochemical capacitor – Blank detail specification (超级电容器电极片-空白详细规范)由国际电工委员会纳米电工产品与系统技术委员会(IEC/TC 113)对外正式发布,参与制定单位还包括宁波中车新能源科技有限公司、深圳市标准技术研究院和国家纳米科学中心。该标准是超级电容器用电极片的首个国际空白详细规范,详细梳理了电极片影响器件性能的化学、物理、结构和电化学关键控制特性及其相应测试方法。
核心材料亟待国产化

为什么有的电动汽车启动提速能力堪比超跑?源于它安装的超级电容器。如果锂离子电池是耐力超强,续航给力的长跑选手,那么超级电容器就是爆发力特别猛的短跑健将,基于它独特的功率特性,超级电容器和锂离子电池可以互相弥补缺陷,搭配使用。此外,同等体积的超级电容器是普通电容器储电容量的数万倍,深度充放电循环寿命可达几十万次,同时具备超低温冷启动和免维护等特点,是未来智能电网关键支撑部件,可用于电力监测通信终端、电网调频和规模储能等领域,拥有广阔的市场前景。

上世纪70年代,美国和日本发明了超级电容器并实现产业化,且掌握了其关键活性材料——电容炭的制备,电容炭因为其高难度的制造工艺,一直以来受制于人。在他们的技术封锁下,电容炭售价高达数十万元每吨。

首个国际空白详细规范

近年来,得益于相关领域的基础研究进展,我国的电容炭生产技术取得了重要突破,山西煤化所开展电容炭研究以来,打通了“原料-材料-器件-应用”产业创新链,在电容炭国产化研究中,建立了超级电容器中试平台,用于评估电容炭的电化学性能,进一步反馈指导材料研发、生产和质量控制。山西煤化所科研人员发现,电容炭材料特性如形貌、粒径及比表面积等对于电极成型工艺有极大影响,直接决定着极片的制造效率、生产成本和物化性能,进而影响器件的最终电化学性能。反之,将电容炭制成电极浆料涂布在导电铝箔之后,形成的电极片能够及时反映原材料电容炭的特性,是原材料和器件之间的关键桥梁。因此对超级电容器电极片的关键控制特性进行准确表征,并阐明“电容炭-电极片-电容器”之间的构效关系,对整个产业链的基础科学研究和技术开发十分重要。

在开展基础研究和工艺技术研发的同时,山西煤化所先进炭材料与器件研究组于2018年提出制定电极片空白材料规范的设想,该标准项目于2020年正式立项,历时三年时间完成。“由我国主导的国际标准充分听取了国外专家的意见,更重要的是体现了中国科学家在该领域的实力,在消除技术壁垒方面掌握了主动权。”中科院炭材料重点实验室副主任、标准编制组组长陈成猛研究员表示,“我们对超级电容器核心材料——电容炭、电极片等的性能进行了规范,制定了关键材料的化学、物理、结构、电化学性能的关键参数标准,对它们的纯度、机械强度、厚度、面密度、压实密度、孔隙率和导电性等影响器件最终性能的指标全部分析,每个关键指标的测试方法也有规可循,这不是单个参数测试规范,而是材料的首个国际空白详细规范,有利于改变科研和生产脱节、‘自说自话’,缺乏‘共同语言’的现状,实现科学技术指导产业发展。”

统一“话术”

编制组组长王振兵表示,“标准的撰写是极其严谨的一件事,不论是在对术语的定义上,还是在特性的测试方法上。每个项目的背后都需要大量的数据调研搜集和实验论证,所以对于团队的实力要求非常高。超级电容器研究领域关注度非常高,属于热门学术领域,标准制定过程中,我们课题组研究人员一方面联络国内研究者,另一方面与超级电容器关键材料、器件生产企业加强合作,凝练了领域内学术界和产业界的智慧。”

“标准内句句干货,欧美科学家喜欢挑出语法和用词的意见,而日本专家则相对更加认真一些。他们认为电极片的空白详细规范不应包括电化学性能,这一类指标应该属于器件规范。我们认为电化学性能是用户选择合适材料的最关键的指标,几乎所有的电容炭、电极片出厂时都包含这一类指标,我们据理力争,最终获得了投票通过”,编制组成员黄显虹表示。

29页的国际标准,字斟句酌,反复推敲。在IEC/TC 113国际标准制定会议上,标准技术内容经受了数十个国家专家的检验,每年两次工作组会议上,编制组每次收到数十条反馈意见,在中国、加拿大、韩国、德国、俄罗斯的多名专家的参与协助下,报批稿取得了100%的支持率(通过标准是2/3投票支持率),国际标准(IEC/TS 62565-5-1)才面向全球公布。

该标准的发布,将为超级电容器电极片统一术语概念、规范生产流程、建立产品规范提供指导,为促进相关领域行业技术交流、技术合作及消除贸易壁垒提供支持。同时,该标准是超级电容器电极片的首个国际标准,填补了国际标准化的空白,也为IEC/TC 113引入了超级电容器及其材料的概念,开启了IEC/TC 113在超级电容器用炭纳米结构材料领域的国际标准化制定工作,提升我国在超级电容器用炭材料领域的国际影响力和话语权。

与国际标准攻关同步的是,山西煤化所研发的国产电容炭已实现科技成果转移转化,并进入量产阶段。2022年4月,山西中科美锦炭材料有限公司一期500吨电容炭产业化项目启动施工建设,连同这项国际标准的制定工作,有助于国产电容炭材料走向国际市场。

 

 来源:中国科学报、科学网 李清波

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/5/479776.shtm

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中国科学报|掌握超级电容发展主动权-中科院山西煤化所709课题组主持制定超级电容器用电极片首个国际标准

时间:2022-05-27   作者:
      近日,中国科学院山西煤炭化学研究所(简称山西煤化所)主持制定的国际标准IEC/TS 62565-5-1 Nanomanufacturing – Material Specifications – Part 5-2: Nano-enabled electrodes of electrochemical capacitor – Blank detail specification (超级电容器电极片-空白详细规范)由国际电工委员会纳米电工产品与系统技术委员会(IEC/TC 113)对外正式发布,参与制定单位还包括宁波中车新能源科技有限公司、深圳市标准技术研究院和国家纳米科学中心。该标准是超级电容器用电极片的首个国际空白详细规范,详细梳理了电极片影响器件性能的化学、物理、结构和电化学关键控制特性及其相应测试方法。
核心材料亟待国产化

为什么有的电动汽车启动提速能力堪比超跑?源于它安装的超级电容器。如果锂离子电池是耐力超强,续航给力的长跑选手,那么超级电容器就是爆发力特别猛的短跑健将,基于它独特的功率特性,超级电容器和锂离子电池可以互相弥补缺陷,搭配使用。此外,同等体积的超级电容器是普通电容器储电容量的数万倍,深度充放电循环寿命可达几十万次,同时具备超低温冷启动和免维护等特点,是未来智能电网关键支撑部件,可用于电力监测通信终端、电网调频和规模储能等领域,拥有广阔的市场前景。

上世纪70年代,美国和日本发明了超级电容器并实现产业化,且掌握了其关键活性材料——电容炭的制备,电容炭因为其高难度的制造工艺,一直以来受制于人。在他们的技术封锁下,电容炭售价高达数十万元每吨。

首个国际空白详细规范

近年来,得益于相关领域的基础研究进展,我国的电容炭生产技术取得了重要突破,山西煤化所开展电容炭研究以来,打通了“原料-材料-器件-应用”产业创新链,在电容炭国产化研究中,建立了超级电容器中试平台,用于评估电容炭的电化学性能,进一步反馈指导材料研发、生产和质量控制。山西煤化所科研人员发现,电容炭材料特性如形貌、粒径及比表面积等对于电极成型工艺有极大影响,直接决定着极片的制造效率、生产成本和物化性能,进而影响器件的最终电化学性能。反之,将电容炭制成电极浆料涂布在导电铝箔之后,形成的电极片能够及时反映原材料电容炭的特性,是原材料和器件之间的关键桥梁。因此对超级电容器电极片的关键控制特性进行准确表征,并阐明“电容炭-电极片-电容器”之间的构效关系,对整个产业链的基础科学研究和技术开发十分重要。

在开展基础研究和工艺技术研发的同时,山西煤化所先进炭材料与器件研究组于2018年提出制定电极片空白材料规范的设想,该标准项目于2020年正式立项,历时三年时间完成。“由我国主导的国际标准充分听取了国外专家的意见,更重要的是体现了中国科学家在该领域的实力,在消除技术壁垒方面掌握了主动权。”中科院炭材料重点实验室副主任、标准编制组组长陈成猛研究员表示,“我们对超级电容器核心材料——电容炭、电极片等的性能进行了规范,制定了关键材料的化学、物理、结构、电化学性能的关键参数标准,对它们的纯度、机械强度、厚度、面密度、压实密度、孔隙率和导电性等影响器件最终性能的指标全部分析,每个关键指标的测试方法也有规可循,这不是单个参数测试规范,而是材料的首个国际空白详细规范,有利于改变科研和生产脱节、‘自说自话’,缺乏‘共同语言’的现状,实现科学技术指导产业发展。”

统一“话术”

编制组组长王振兵表示,“标准的撰写是极其严谨的一件事,不论是在对术语的定义上,还是在特性的测试方法上。每个项目的背后都需要大量的数据调研搜集和实验论证,所以对于团队的实力要求非常高。超级电容器研究领域关注度非常高,属于热门学术领域,标准制定过程中,我们课题组研究人员一方面联络国内研究者,另一方面与超级电容器关键材料、器件生产企业加强合作,凝练了领域内学术界和产业界的智慧。”

“标准内句句干货,欧美科学家喜欢挑出语法和用词的意见,而日本专家则相对更加认真一些。他们认为电极片的空白详细规范不应包括电化学性能,这一类指标应该属于器件规范。我们认为电化学性能是用户选择合适材料的最关键的指标,几乎所有的电容炭、电极片出厂时都包含这一类指标,我们据理力争,最终获得了投票通过”,编制组成员黄显虹表示。

29页的国际标准,字斟句酌,反复推敲。在IEC/TC 113国际标准制定会议上,标准技术内容经受了数十个国家专家的检验,每年两次工作组会议上,编制组每次收到数十条反馈意见,在中国、加拿大、韩国、德国、俄罗斯的多名专家的参与协助下,报批稿取得了100%的支持率(通过标准是2/3投票支持率),国际标准(IEC/TS 62565-5-1)才面向全球公布。

该标准的发布,将为超级电容器电极片统一术语概念、规范生产流程、建立产品规范提供指导,为促进相关领域行业技术交流、技术合作及消除贸易壁垒提供支持。同时,该标准是超级电容器电极片的首个国际标准,填补了国际标准化的空白,也为IEC/TC 113引入了超级电容器及其材料的概念,开启了IEC/TC 113在超级电容器用炭纳米结构材料领域的国际标准化制定工作,提升我国在超级电容器用炭材料领域的国际影响力和话语权。

与国际标准攻关同步的是,山西煤化所研发的国产电容炭已实现科技成果转移转化,并进入量产阶段。2022年4月,山西中科美锦炭材料有限公司一期500吨电容炭产业化项目启动施工建设,连同这项国际标准的制定工作,有助于国产电容炭材料走向国际市场。

 

 来源:中国科学报、科学网 李清波

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/5/479776.shtm

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