媒体关注中国科学院山西煤炭化学研究所：超级电容炭

轻轻一碰就能给手机充满电，等待一个红绿灯就能给电动车充满电，这些满满未来科技感的场景离我们并不遥远，奥秘就是它们搭载的“超级电容器”，有人预言它将引领下一代电池革命。

2022年，全球超级电容器市场规模将突破615亿美元，而在山西，超级电容器产业也正酝酿着巨大的发展机遇，循环寿命达100万次以上的最新一代石墨烯超级电容器已经中试成功，那么超级电容器是什么？会给我们的未来生活带来怎样的改变？山西在超级电容器这条赛道上又能跑出怎样的加速度？

近日，中科院山西煤化所研究员、709课题组组长陈成猛，研究员、储能炭材料负责人孙国华，超级电容器项目负责人王振兵，做客山西卫视《全方位推动高质量发展透视》，与主持人共话新型炭材料。

Q：什么是超级电容器，为什么称之为“超级”呢？

A

陈成猛：它们两个体积相当的话，超级电容器的储存容量是传统电容器的10万倍，这就是它“超级”的原因。

传统电容器存储电荷依靠的是导体的平板面积，比表面积较低，不超过1 m2/g，什么意思呢，比如我们取1g传统超级电容器电极材料，暴露面积全部拼在一起，可能就是一块地板砖的大小。但是超级电容器存储电荷是基于多孔炭材料，其比表面积可达2000 m2/g，通俗的讲，如果取1克超级电容器活性材料，将其内部所有暴露面积拼在一起，就相当于4-5个篮球场面积大小。

Q：作为未来理想储能元件的超级电容器有哪些特性？

A

王振兵：充电速度快，比如现在我们手机用的锂电池，需要 1-2小时充满电，但是超级大电容器在1分钟以内可以充满；耐候性非常好，俗话说就是比较皮实，不论严寒酷暑性能基本不打折扣。我们手机用的锂电池在零下20℃掉电非常快，零下40℃可能就直接罢工了，打电话手机直接关机，但是超级电容器在零下40℃掉电速度和常温基本一致，可以说是全气候不打折扣；循环寿命长，超级电容器循环寿命可以达到百万次，比如说装到新能源汽车上，10年车报废了，超级电容器还能拆下来正常使用。

陈成猛：此外，超级电容器还具有安全性高的特点，遇碰撞、挤压、穿钉等不会爆炸起火。因为它是全碳电极，具有极高的安全性，储存能量低，发生事故后不足以引燃整个器件；环保——超级电容器在生产、使用、存储、以及拆解过程中均不使用有害化学品或有毒金属，是绿色环保的储能装置；材料来源可持续——超级电容器主要材料为碳，可由废弃生物质原料制得，用之不尽取之不竭。

Q：那为什么超级电容器最近会得到人们的广泛关注，而且发展势头迅猛？它和电池有什么区别？

A

王振兵：我们认为能源的精细化管理和高效利用是智慧型社会发展的必然要求。随着下游电网、电动汽车和电子工业等领域的智能化、低能耗发展，对于那些能量储存不需要太高，但是能够实现快速充放，长寿命、免维护储能电源需求迫切。而传统单一储能电源如铅酸、锂离子电池等面临的充放电速度慢、耐候性差和寿命短等痛点问题日益凸显，导致较高的维护成本。而超级电容器优点，刚好可以弥补这些痛点问题，目前已经在智能电网、物联网等领域一些应用场景中逐渐代替锂离子电池，具有较大的发展潜力。 

陈成猛：超级电容器和电池的差异主要由其能量存储原理差异决定的。超级电容器能量存储是物理过程，不涉及到能量的转化，就是电荷直接存储，而对于电池来讲，能量存储是一个化学过程，它是一种能量转换装置，就是在储存电的时候，把电能转化成化学能，但需要用电的时候再把这种化学能再重新转化为电能释放出来。

打个比方可以在一定程度上说明二者的差异。将电容器比作我们的存钱罐，电荷比作硬币，把一个硬币这样放进去，存的还是钱，这个钱拿出来就能用。而电池是我们把我们兜里的钱，把它买成股票，买成期货，买成房产，变成其他的形式，然后等我要用的时候，我需要再把它重新变回现金来才能使用。这其实就是电容和电池的区别。

Q：既有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性，超级电容器弥补了传统电容器和电池之间的空白，有人称超级电容器是超人电池，预言它可能会代替锂电池成为下一代电池，是这样吗？

A

陈成猛：超级电容更像一个爆发力型的短跑选手，在短时间内释放大量能量，同时也可在短时间补充大量能量，快速恢复。而锂电池它比较像马拉松选手，在长距离行驶时提供稳定的能量输出，同时能量恢复也需要较长的时间。

基本上锂离子电池的优点，就是超级电容器的缺点，而超级电容器的优点又是锂离子电池的缺点，他俩是高度互补的。

锂电池特点是单位体积储能量总量可以做的比较大，但是充放电时间比较慢，然后冲放电的电流也比较小。而超级电容器它的特点是单位体积储存能量不大，但是充放电时间可以很快，可以充放电次数很多，然后充放电的电流也可以很大，这样的话就可以把这两种东西结合起来，比如说我们用在电动汽车里面，锂离子电池来储存能量，超级电容器在汽车加速的时候，作为加速电源，有很好的爆发力，放电速度快，另外在制动的时候可以快速回收制动能量，接受瞬间大电流充电的能力强。

目前最好的方案是合作——龟兔合作（锂电池和超级电容器），跑的更远。新版“龟兔故事”是这样的，当道路平坦时，兔子骑乌龟，而在道路条件差时，乌龟骑兔子。这不是一个关于赛跑的故事，而是关于合作的故事。

Q：轨道交通和公交车的纯电容驱动，既开拓了巨大的新兴市场，又打破了国际上“超级电容器只能作为辅助电源”的传统观念，从而激发了更多的产业想象，那超级电容器能带给我们的未来应用场景，还有哪些是可以期待的？

A

陈成猛：我国超级电容器部分应用水平已与国际接轨，新能源汽车成为超级电容市场一大业绩增长点。在电动汽车领域，如果在市里面开的话，在红绿灯停车线之前那个地方可以加一个无线充电装置，如果我们超级电容器的汽车到那个地方踩一脚刹车就充电，你等红绿灯的时候充一下电超级电容器就可以很快地充电。这样事实上就把这种长跑变成了一个频繁的短跑，其实也就是一个长跑冠军。对这个场景其实我觉得是完全可以想象的。

王振兵：尽可能的让超级电容器的储能达到一般电池的水平之后，因为它的充电非常快，如果到处都有一个小的充电的接口或者无线充电的装置，在上面放10秒钟就可以拿走了，这样的话手机也几乎是无限续航了。

Q：全球615亿美元的市场规模非常可观，那么，这个领域可不可以被看作我国可以并跑、甚至领跑的那种产业？

A

陈成猛：在超级电容器产业的版图上，中国科研起步比较晚，并没有占据先机。但是，随着近几年超级电容器下游，如风力发电、智能电网和电动汽车领域的快速发展，同时也带动了我国超级电容器企业的快速崛起，国内涌现了一批行业龙头企业，包括宁波中车新能源，锦州凯美和上海奥威科技有限公司，部分企业个别指标已经达到国际先进水平。在下游产业快速发展带动下，我国超级电容器市场需求增长速度较快，国内产品的市场占有率逐渐提升，技术进步也较快，我们相信我们的技术、产品很快能够达到并跑，甚至领跑的地位。

Q：那为什么我们还会选择去研发超级电容器呢？

A

王振兵：面向能源革命和新材料产业的重大需求，开展先进炭材料与电化学储能器件的研究是使命。路甬祥院士曾经说过：料要成材、材要成器、器要好用。所以我们研究超级电容器主要有以下三个原因：

（1）首先，是为了做好炭材料而去研究超级电容器，即料要成材，这个是我们的初心。超级电容器电极材料里面90%以上都是碳，如活性炭、导电剂等，而且长期依赖进口。所以我们的初心就是先要把这个炭材料做好。而在炭材料开发过程中，我们发现要做好炭就需要对超级电容器有深入的了解，理解这些炭材料结构设计、加工工艺对超级电容器性能、制造和成本等有着全方面的影响，可以反过来指导我们材料的设计与开发。

（2）其次，为了用好材料，即料要成器。材料好不好，需要我们的客户在超级电容器中检验。为了让我们的材料用的好，首先，就需要我们在材料的应用即超级电容器的制备上下大功夫，这样一方面可以和客户高效率对接，另一方面可为客户提供我们材料应用解决方案，减少用户在应用中的试错，进而加快材料研发和产业化进程。

（3）最后，为了基于我们开发材料制备的超级电容器能够用得上，用得好。超级电容器性能的提升是一个系统的工程，电极材料只是其中一部分。目前我国超级电容器产业还面临的一些问题，如能量密度低、服役寿命短和产品一致性差等问题。其中本质原因，我们认为还是对其中的一些关键科学问题和工程原理缺乏系统的了解和掌握，所以为了实现器件更好用，我们希望通过材料、器件协同攻关，突破高性能超级电容器制备关键技术，促进整个超级电容器产业的高质量发展。

Q：不久前，年产1000吨的电容炭生产线在山西清徐开工建设。一吨人民币3000元的玉米淀粉，变成了一吨30万元人民币的电容炭，电容炭是用来制作超级电容器的原材料，这个炭和日常所理解的碳是一回事吗？

A

孙国华：电容炭属于炭基新材料，超级电容炭有它的特殊性，和常规活性炭对比，具有“三高三低”的优势，也就是高比表面积、高孔容、高电导率、低灰分、低金属离子、低粒径。基于超级电容炭以上优势，它特别适合电荷的物理存储，因此是超级电容器的最核心关键材料。举2个例子，一个是高比表面积，锂离子电池是化学储能，充放电过程发生化学反应，而超级电容器是电荷在电容炭孔隙中物理储能，因此比表面积越高孔隙越发达，储存的电荷就越多，能量密度就越高。另外一个是高纯度，统计数据显示我国核心材料产业由于纯度不达标导致难以商业化应用推广的比例高达60%以上，因此纯度不达标是制约关键材料产业的大问题。电容炭纯度不高会使超级电容器发生副反应，而常规活性炭的灰分和金属离子严重超标，难以作为储能炭材料使用。从应用的角度来看，比表面积和孔结构决定了储存电量的多少，而纯度决定了超电的使用寿命和安全性。

Q：在科研领域，有一个“漂移”的现象，就是科学家在研究的过程中，在既定的研究路线上，有了新的发现，于是研究的目标甚至对象都发生了新的调整，而且很多新发明、新发现都是“漂移”的结果。听说，最开始我们研发的并不是超级电容炭？

A

孙国华：我们团队是中科院山西煤炭化学研究所特批的石墨烯与储能炭材料课题组，最开始研究的是石墨烯，秉持着“料要成材，材要成器，器要好用”的理念开始研发石墨烯超级电容器，在研究的过程中发现核心原材料超级电容炭只能依赖进口，国内也有几家企业在做，但是还没有成熟稳定的供货能力，再加上团队本来就是搞碳材料研究的，就开始着手研究超级电容炭了。

Q：国际上有很多不同的工艺和制作方法，原材料也各不相同，有用椰壳炭的，有用石油焦的，为什么我们要另辟蹊径选择玉米淀粉？

A

孙国华：制备电容炭的原材料比较多，从国际范围来看，目前制备电容炭的原材料主要分三大类，第一类是以日本可乐丽公司为代表的椰壳炭为原料，第二类是以韩国PCT公司为代表的石油焦为原料，第三类是以美国EnerG2公司为代表的高分子树脂为原料。但东南亚高品质椰壳已被日本和美国垄断，我们买不到；高分子树脂制备电容炭的成本过高；石油焦批次稳定性差。最开始，我们也不清楚哪种原材料最好，7年时间里，我们选用上百种原材料进行试验，每一种原材料要通关走一遍全流程，涉及16个工序。同时我们也在考虑性能上不仅要实现进口替代还要提升，因此难度非常大。最终我们选择了性能最好的玉米淀粉为原料。玉米淀粉本身纯度高，降低了后期的纯化难度，此外，制备的电容炭具有较高的比重，容易实现超电的高比容量。

Q：所有的玉米淀粉都可以吗？

A

孙国华：不同产地的玉米淀粉纯度、颗粒形貌是截然不同的，这些指标对我们后续的工艺制程以及超级电容器性能影响较大。我们近年来筛选了山西、山东、河北、吉林、辽宁等玉米产地的玉米淀粉，通过技术验证，发现山西、山东的玉米淀粉无论从纯度还是颗粒形貌来看都是比较理想的。

Q：淀粉是人吃的，我们的产品产业化以后需求量应该是很大的，会不会带来与人争粮的问题？

A

孙国华：这是没必要担心的，据统计全国年产淀粉超三千万吨，大宗应用是在铸造、冶金、石油、造纸等行业作为胶黏剂、沉降剂等使用，附加值较低，我们加工成电容炭，一方面使用量较少，另一方面从3000元到30万是极具高附加值的。

Q：那从原材料到电容炭的制备过程到底有多难，为什么这么多年国内都没有办法突破？

A

孙国华：主要原因有以下几点：第一，制备工艺流程长，碳纤维是业内公认的碳素材料里面投资大流程长的产品，而我们的工艺流程比碳纤维还要长还要复杂，技术门槛是非常高的。第二，电容炭的指标多且复杂，涉及20项控制性技术指标，24种分析检测与评价方法，指标相互交叉影响，牵一发动全身。第三，配套装备的问题。装备是工艺的载体，需要从化学原理、化工过程、化学工艺来实现这些工艺装备的形式。比如，高温活化工序中存在800-900度的高温碱腐蚀问题，对装备的材质、炉型提出极高的要求，这里没有标准化设备，必须自主研制。第四，我们国内在电容炭制备中仍存在大量的关键科学问题尚未有清晰深入认识。比如交联工序，淀粉直接碳化会发泡，要保持原有的形貌结构必须进行交联固化，需要对分子结构演变规律有深刻认识才行，刚才提到的7年研发时间就包括了大量的基础理论研究工作。因此要突破电容炭需要从科学到技术到工程到管理进行全流程掌握。

Q：从一项技术到一个产品，对于一个科研人员来说无疑是巨大的成功了，在这个过程中，除了不断地努力研发，您觉得还有哪些必备条件？

A

孙国华：任何产品从实验室到货架商品都需要技术、资金和政策的支持。一方面，山西省以及太原市在政策和资金上给予很大的帮助，对于电容炭项目，山西省给予重大科技专项支持，太原市给予中试熟化项目的支持，都为我们的研发提供了重大支持。尤其是山西省把千吨级电容炭产业化落地纳入2021年山西省政府工作报告中，表明省政府对我们项目落地的关怀和期盼。此外，美锦能源作为我们最理想的合作伙伴，从中试技术开发就提前投资进行联合攻关，一直到产业化。就像伯牙和子期一样，我们有着共同的思想、理念和价值观，共同推进产业化落地。

Q:经过3年的不懈努力，超级电容炭完成了从样品到产品的蜕变，在攻克超级电容炭制备技术难题的同时，中科院煤化所还主持制定了2项IEC国际标准，主持制定标准对于我们的研究有什么样的推动作用？

A

孙国华：我们都知道一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做产品。标准就是行业的标杆和领头羊，每个行业必须在同一标准的进行竞争与发展，谁制定标准就掌握了充分的话语权。此外，电容炭标准中有很多超电用户非常关切、但炭素科研工作者并不知晓的控制性指标，通过标准的制定，可提升科研工作者的研发效率，让研发定位更切合实际需求。

Q:2021年4月，经中国石油化工联合会组织，国内炭素领军人才与下游用户代表对中试技术进行了评估，评估结果是技术达到国际先进水平，建议尽快产业化。接下来就是从中试产品到货架上商品了，在这个过程中我们会面临什么样的挑战？

A

孙国华：解决一些放大效应的问题。从中试产品到货架商品是一个二次开发的过程，需要解决工程化过程中的温度场、流场、三传一反等放大效应及相应配套装备。此外，从做炭材料到用炭材料是两个概念，国产化的炭材料指标上结构上和国际上用椰壳、石油焦等制备的电容炭还是有差别的，我们不仅要提供材料，还要提供材料的应用解决方案，要打通碳材料储能应用的创新链，向上指导材料工艺优化，向下对接储能产业应用，实现超级电容炭从“做”到“用”的无缝对接。  

结语

炭基新材料是国家战略性新兴产业，当前，山西省正在努力打造炭基新材料产业发展创新生态，把煤炭资源优势转化为炭基新材料发展优势，让炭基新材料成为煤炭产业向高科技高附加值转型发展的新突破点。在科研机构和企业的不懈努力下，超级电容炭从材料到器件再到应用的产业创新链正在打通，必将为山西全方位推动高质量发展增添更为强劲的动力。