石墨+水(未来储能（定稿）

第一篇：石墨+水(未来储能（定稿）

石墨 + 水 = 未来电池

两种普通材料的组合——“石墨 + 水”能制造能量存储系统，产生媲美锂离子电池的储能效果，并且在几秒钟内充满电，拥有几乎无限长的使用寿命。

“石墨 + 水” 储能的原理是利用电荷在全界面导电碳原子表面的有序堆积来实现电能的大量、超快速储存和释放，以“石墨 + 水”凝胶为基础的新型储电装置可以在几秒内充放电，拥有几乎无限次的循环寿命。一直以来，产业界都在寻找高效、可控的电能储备材料，要求其导电性能良好、物化性质稳定，能够让电荷在其微观结构上实现最大程度的有序堆积，用以制作超级材料，实现电能的高效储备及释放。目前认为纳米石墨（石墨烯）就是这种潜在的理想材料。蒙纳士大学材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究团队正在研究一种名叫石墨烯的材料，这种材料有可能成为下一代超快速能量存储系统的基础。李博士说：“一旦我们能恰当地操纵这种材料，那么像 iPhone 这样的设备可以在数秒钟或更短的时间内完成充电。”

石墨烯是石墨剥离成一个原子厚度的产物。石墨价格低廉、随处可见，常用于铅笔芯中，这种形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯强度高，具有化学稳定性，因此是绝佳的导电材料，它的另一个重要的特性就是表面积非常大。李博士说：“这些特性让石墨烯非常适合应用于能量存储系统。而目前石墨烯没有被大规模应用是因为这种材料非常薄，如果堆积到一起形成宏观结构时，会立即紧密连接在一起形成石墨。石墨烯重新堆积之后大部分表面将消失，不再具有石墨烯的特性。”现在，李博士和他的团队找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可让石墨烯保持湿润——以凝胶的形式存在——让层与层之间产生排斥力，防止它们重新堆积。

李博士表示：“我们使用的是两种基本的、不昂贵的材料——水和石墨，他们能让这种纳米材料拥有非常惊人的特性。这个技术非常简单，能够大规模应用。我们发现这一点时，觉得它不可思议。”

目前，“石墨 + 水”储能需要攻克的关键技术是如何在不降低石墨烯物化性能的同时，将它高效有序的密集组装在一起，并且能够有效阻止石墨烯在加工过程中的二次堆叠。影响石墨烯广泛应用的关键问题是它的堆积结构。通常情况下，紧密堆积的石墨烯容易重新形成石墨，这样的话，将不再具有单片石墨烯独有的性能。李博士团队在工作中发现，石墨烯作为一种极其少见的二维凝聚态导电物质，在控制的条件下能够与水相互作用自行组装成微观纳米间隔而又宏观紧密堆积的三维凝胶结构，具有意想不到的性能，将会给电能储备技术带来突破性进展。应用到储能设备上时，无论是在电荷的储存量还是充电的速度方面，石墨烯凝胶能显著超越当前的碳基技术。目前以此材料构造的电储能装置所获能量密度已经相当于电动汽车中广泛使用的锂离子电池，所获功率密度百倍超过锂离子电池，以此为动力的电动汽车将有可能替代传统燃油动力汽车。

新型储电材料是低碳经济，清洁能源产业发展的重点领域，对人类未来可持续发展意义深远，尤其是对中国这样一个石化能源进口大国，关系到国民经济发展的平稳与安全。中国碳材料产业发达，石墨矿藏储量丰富，但是其产业一直处于产业链的低端。“石墨 + 水”储能材料这一新技术将极大地提高现有石墨产业的附加值，改变电能储存产业现状，有望在消费电子、智能电网、动力机械及电动汽车领域获得广泛的应用。李博士认为这种新技术的发展前景不仅仅局限于消费电子产品，“高速、可靠、低成本的能量存储系统，是未来实现大规模应用可再生资源所产生的电能的关键，也是电动汽车大规模应用的关键。石墨烯凝胶同时显示出应用于水净化薄膜、生物医疗设备和传感器的潜力。”

石墨烯每克卖600多美元 投产后能降到10元

更新：2013-04-27 09:57:48 作者：新闻中心 来源：现代金报 点击：178次 【字号：大 中 小】

中国储能网讯：全球首条石墨烯生产线今年将在宁波建成投产。记者昨天了解到，中科院宁波材料所与宁波墨西科技有限公司签约，双方联合组建“石墨烯制备与应用研发中心”。

这是全球首条石墨烯生产线

石墨烯量产技术是世界性难题，中科院宁波材料所的石墨烯量产技术在全球首先突破，宁波墨西科技有限公司将在今年建成全球第一条石墨烯生产线，第一期年产300吨。

宁波墨西科技有限公司董事长陈为健告诉记者，目前，7个生产车间以及仓库已经封顶，年产300吨石墨烯微片生产线将于今年10月建成投产。

“生产线第一期已基本建成，开始少量生产石墨烯产品，并免费提供给本地企业试用。预计到今年10月，这条生产线第一期将正式建成投产。”陈为健说，现在可以从国外少量进口单层石墨烯产品，但价格非常昂贵，每克要600多美元，折合人民币3000多元/克，价格是黄金的十多倍。这条300吨生产线建成后是生产石墨烯微片的，将成为全球首个量产的石墨烯生产线。到时候，可以将石墨烯生产成本降低到每克10元左右。

根据中科院宁波材料所与宁波墨西科技有限公司签订的协议，后者将从2012年起连续5年为前者提供每年1000万元的研发经费。

中科院宁波材料所有关负责人介绍，此次共建“石墨烯制备与应用研发中心”，将围绕石墨烯开展相关研发，提高产品质量和稳定性，扩展石墨烯应用领域，最终使该研发中心成为国内先进的技术研发基地。

电瓶车10分钟就能充满电

石墨烯是从石墨材料中剥离出来，是目前世界上最薄的材料。除了最薄，它还是世界上最硬、导电性最好、导热能力最强的新材料。

“石墨烯是有限资源，不可再生，制备成本很高，非常昂贵，现在只停留在实验室里，大大限制了石墨烯产业化的发展。”中科院宁波材料所的专家说，“我们的研究，就是让其产业化，能成为大量供给的工业原料。”

石墨烯与我们的生活有什么关系呢？比如，能让手机屏幕更薄，甚至折叠起来。“如果使用有石墨烯成分的原料来做手机屏幕，可以直接把屏幕折叠起来使用，透明性也很好。这就像电影《阿凡达》里的那个透明弯曲、悬浮着的虚拟显示屏。”

比如，用在电池上。“现在，电瓶车充电往往要1～3个小时才能充满，如果使用石墨烯动力的锂电池，10分钟内就能完成，电池的性能、寿命也会大大提高。”该专家说。

石墨烯的储能特性及其前景展望

前言:能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭，环境污染日益严重，全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。对于新型的、绿色、储能器件，在关切其绿色的同时，高功率密度，高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的绿色储能装置，而其中核心部分是性能优异的储能材料。各种碳质材料，特别是 sp2杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。作为 sp2杂化碳质材料的基元结构的单层石墨 ——石墨烯(graphene)，2004 年被成功制备；独特的结构、真正的表面性固体(无孔 表面碳原子比例为 100%的超大表面材料)，使其成为下一代碳质电极材料的重要选择。

结构研究：碳是自然界广泛存在的一种元素，具有多样性，特异性和广泛性的特点。碳元素可以 sp、sp2、sp3三种杂化方式形成固体单质。而 sp2杂化形成的碳质材料的基元结构是二维石墨烯片层。如图 1 所示，如果在六元环形成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格, 就会使石墨烯片层翘曲, 当有 12 个以上五元环晶格存在时就会形成零维的富勒烯；碳纳米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料；石墨烯片层相互作用、叠加，便形成了三维的体相石墨。而作为无定形的多孔碳质材料(活性炭 活性炭纤维及炭气 凝胶等)则是由富含缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三维石墨片层结构)相互作用形成。

图1 石墨烯的结构(左图)及由石墨烯为基本单元构筑的sp2杂化碳质材料(右图)

石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性。石墨烯的价带和导带(电子)相交于费米能级处，是能隙为零的半导体，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子问作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的 1／300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯特殊的结构使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质

。石墨烯也具有良好的力学、光学和热学性质，具有突出的导热性能(3 0 0 0 W／(I T I·K))和力学性能(1 0 6 0 GP a)，以及室温下高速的电子迁移率(1 5 0 0 0 c m／(V·s))-l。石墨烯是真正的表面性固体，理想的单层石墨烯具有超大的比表面积，其理论比表面积高达 2600 m ／g，而单层石墨烯的比表面积为2 6 3 0 m ／g，大大超过目前应用于电化学双层电容器中的活性炭的比表面积。

良好的导电性是其他大比表面积碳质材料很难具有的独特性质，预示着石墨烯很可能是性能极佳的电极材料；而良好的热导性质光学性质和力学强度，也预示着石墨烯材料可用于超薄型、超微型的电极材料和储能器件，而这样的储能元件可用于高密度的纳电子器件和 高功率电池组中。3．石墨烯材料的制备

石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法口、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原法。还有一些其他制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术、静电沉积法和高温高压合成法等。在上述制备石墨烯的工艺中，化学法制备以相对简单和低廉正受到越来越多的关注。化学法制备石墨烯主要采用氧化石墨、膨胀石墨或微粉石墨作为石墨源，其中以氧化石墨为源制备的石墨烯存在较多的含氧官能团和不可逆转的结构缺陷，极大地影响了石墨烯的电学性能，而以膨胀石墨或者微粉石墨为源制备的石墨烯，具有缺陷很少、导电率很好的特点。

目前已能实现实验室大规模制备石墨烯，但工业化生产还需有个过渡阶段。大量的问题还需要研究，例如： 如何低成本、大规模制备出期望结构的石墨烯，如何实现其微加工 来完成对石墨烯大小、边缘和形状的控制，不同层结构的石墨烯性能如何等等，这些都是需要解决的关键性问题。另外，关于石墨烯的基本物理性能及展示独特优异性质的内在原理的研究也需要深入。4.石墨烯材料的应用

石墨烯在超级电容器中的应用

碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些 sp2碳质材料的基元材料是石墨烯自石墨烯被成功制备出来后，人们开始探究其这种极限结构的 sp2碳质材料在超级电容器里应用的可能性

Ruoff 小组利用化学改性的石墨烯作为电极材料，测试了基于石墨烯的超级电容器的性能。这种石墨烯材料的电容性能在水系和有机电解液中的比电容分别可以达到 135 F/g 和 99 F/g。Rao 等人比较了通过三种方法制备的石墨烯的电容性能。在硫酸电解液中，通过氧化石墨热膨胀法和纳米金刚石转化法得到的石墨烯具有较高的比电容，可以达到 117 F/g；在有机电解液中，电压为5 V 的时候，其比电容和比能量可以达到 71 F/g 和 31.9 Wh/kg。

石墨烯材料应用于超级电容器有其独特的优势。石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层；但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少(一般化学法制备获得的石墨烯具有 200-200 m2/g)即 使如此，石墨烯仍然可以获得 100~230F/g 的比电容 如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容在石墨烯片层叠加，形成宏观体的过程中，形成的孔隙集中在 100 nm 以上，有利于电解液的扩散，因此基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率特性。

石墨烯在锂离子电池中的应用

对锂离子电池负极材料的研究，主要集中在碳质材料、合金材料和复合材料等方面。碳质材料是最早为人们所研究并应用于锂离子电池商品化的材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一。碳质材料根据其结构特点可分成可石墨化炭(软炭)无定形炭(硬炭)和石墨类 目前对碳负极的研究主要是采用各种手段对其表面进行改性，但是对人造石墨再进行表面处理 将进一步增加制造成本，因此今后研究的重点仍将是怎样更好地利用廉价的天然石墨和开发有价值的无定形碳材料。因此，从石墨出发制造低成本高性能的锂离子电池负极材料是现在的主要研究方向石墨烯作为一种由石墨出发制备的新型碳质材料，单层或者薄层石墨在锂离子电池里的应用潜力也落入研究者的视野之中。

Yoo 等人研究了石墨烯应用于锂离子二次电池负极材料中的性能，其比容量可以达到 540 mAh/g 如果在其中掺入 C60 和碳纳米管后，负极的比容量可以达到 784 mAh/g 和 730 mAh/g。Khantha 等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。3 在太阳能电池和燃料电池中的应用

除了显示出作为超级电容器和锂离子电池的巨大潜力外，石墨烯也在太阳电池、燃料电池方面展现出独特的优势。二维的石墨烯具有良好的透光性和导电性，是替代 ITO很有

潜力的材料。利用石墨烯及其复合材料制作透明导电膜并将其应用于太阳能电池中也成为人们研究的热点。

W an g等

将氧化石墨热膨胀后热处理还原得到的石墨烯制作为透明导电膜，应用于染料敏化太阳电池中，取得了较好的结果。制备的石墨烯透明导电膜的电导率可以达到 5 5 o s／c m，在 1000 ~3 000 nm的波长范围内，透光率可达7%以上。Wu等m 采用溶液法制备石墨烯透明导电膜，并应用于有机太阳能电池中作为阳极。由于应用的石墨烯未经过有效的还原，所以电阻较大，致得到的太阳能电池短路，电流及填充因数不及氧化铟。如果可以降低石墨烯膜的电阻，得到的结果可能要更好。L i 等对石墨采用剥离一 再嵌入一扩张的方法，成功地制备了高质量石墨烯，其电阻为通过以氧化石墨为原料制备的石墨烯电阻的，并以D MF为溶剂，成功地制备了 L B膜。这种透明导电膜也成为应用于太阳能电池的潜在材料。Ry a n等“用溶液法制备”的石墨烯与其它贵金属材料复合作为电极，组装的有机太阳能电池的短路电流密度可以到 4.O mA／c I T I，开路电压为

硅高2 V，光转化率可以达到 1.1 %。

目前，太阳能电池的重要原料是高纯的单晶硅或多晶。但硅的生产成本高，加工需要高温，能量转换率还不够，如果石墨烯能成为太阳能电池的主要材料，就能克服以上缺点。在储氢／ 甲烷中的应用

Di mi t r a k a k i s 等利用石墨烯和碳纳米管设计了一个三维储氢模型，如果这种材料掺入锂离子，其在常压下储氢能力可以达到4 1 g／L。因此，石墨烯这种新材料的出现，为人 们对储氢／ 甲烷材料的设计提供了一种新的思路和材料。

图2由石墨烯和碳纳米管组成的3D结构储氢模型

展望：石墨在大自然中非常普遍，但科学家如何找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“ 薄膜” 的方法是很重要的。目前，人们的研究主要集中于 3个方面： 一是石墨烯的低成本大规模制备的基础研究，二是石墨烯基复合材料的制备与性能研究，三是石墨烯材料在相关领域的应用研究。石墨烯具有独特的优异电学性能，近年来石墨烯材料的制备及其储能材料领域的应用取得了较大进展，随着人们对石墨烯及其复合材料研究的深入 以及制备方法的改进，石墨烯及其复合材料在电化学中的应用将会得到更为广泛的关注。与碳纳米管的发现与研究应用过程类似，在今后的若干年里石墨烯的研究会越来越深入，其最终进入实际应用阶段是必然的。石墨烯材料是当今世界新材料科技发展的又一制高点 对其深入研究与开发将给许多领域的发展带来巨大机会。

在日前举行的―2011中国科技创业计划大赛‖中，中科院宁波材料所新能源技术研究所刘兆平团队的石墨烯产业化技术一举夺得―海外人才创业奖‖，获大赛最高奖金100万元，从而引起社会各界的广泛关注。人们不禁要问：什么是石墨烯？这项陌生的产业化技术具有怎样的意义？

“石墨烯其实就是单层石墨，是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，它只有一层碳原子的厚度，是目前世界上最薄的材料。”刘兆平研究员告诉记者，“2004年，海姆与同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫制成石墨烯，石墨烯从此成为科学界和工业界关注的焦点，两人凭此获得2010年的诺贝尔物理奖。”

石墨烯之所以如此令人关注，是因为这个产品在信息技术、新能源、功能复合材料乃至生物医学等诸多领域均具有极其广阔的应用前景。刘兆平解释说，石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中，也有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性，又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势。

“石墨烯产业化技术的应用，将会给我们的生活带来很多令人惊喜的变化。比如我们都知道苹果手机，它的屏幕已经很薄了，但是如果用有石墨烯成分的原料来做这个屏幕，我们可以直接把屏幕折叠起来使用，透明性也很好，就像电影《阿凡达》里的那个透明弯曲、悬浮着的虚拟显示屏。另外，它还可以用于制作石墨烯动力电池。现在的电瓶车、电动汽车的普通电池充电通常需要1~3小时，石墨烯动力锂电池在10分钟内就可以完成快速充电，而且电池的性能会大大提高，寿命更长。”刘兆平说。

诱人的市场前景促使世界各国的科学家们纷纷以极大的热情投入到石墨烯的基础与应用研究之中，近年来该项技术的发展更是呈现出突飞猛进的态势。但由于石墨烯资源有限且不可再生，制备成本又非常昂贵，每克要5000元，高昂的制作成本成为横亘在石墨烯产业化发展进程中的一道难以逾越的障碍。因此，攻克石墨烯低成本规制备技术，成为科学家们共同面对的一个挑战。

为攻克这道世界性难题，刘兆平研究员和他的团队义无反顾地投身到艰苦的研究之中。在中科院知识创新工程重要方向项目的支持下，经过两年多的努力，最终成功取得了石墨烯低成本规模化制备技术的重大突破。今年7月，他们通过和宁波一家企业合作，建成了世界上第一条且拥有完全自主知识产权的年产30吨石墨烯中试生产线，并成功地通过了中试。从中试结果来看，不仅产品品质达到国际先进水平，而且产品售价可以直降至每千克3000元，具有极强的市场竞争力。现在项目组已经收到了国外客户的大量订单。

从最硬到最软，从绝缘体到导体，从全吸光到全透光，各种类型碳材料所具有的性质几乎囊括了地球上所有物质的性质，极大推动了航空航天、航海、能源、交通、电子、化工、环保等领域的快速发展。甚至有人提出，21世纪有可能是碳的时代。作为新材料的中坚力量，碳材料在未来将有哪些优异表现？能否成为新材料领域里的尖端部队？从科学家们对以碳纳米管、石墨烯为代表的碳纳米材料和以核石墨为代表的新型碳材料的未来畅想中，人们看到了激动人心的前景。

碳纳米管：太空电梯有望成真

著名科幻大师阿瑟·克拉克1979年在其小说《天堂喷泉》中首次提出太空电梯概念。简单来说，太空电梯就是一条从地球表面延伸至太空的长电缆，其质心位于35786千米高的地球静止轨道（GEO）。电磁飞行器将沿着电缆行进，在地球和太空之间运送乘客和有效载荷。一旦梦想成真，其运输成本将大大低于火箭，并将满足人类在洁净和可再生能源方面的需求。他预言：―太空电梯将在人们停止对其嘲笑50年以后被制造出来。‖

太空电梯如果能成为未来到达外层太空的运输系统，科学家面临的首要问题就是电缆材质的选择。该电缆必须重量超轻、强度超高，可以承受地球大气层内外所有发射体的撞击。日本太空电梯协会会长大野修一介绍，经过研究，科学家们已开发了一种叫作碳纳米管的纤维，可达到所需强度的四分之一，这是已知最接近标准强度的物质。

与此同时，英国Nanocomp技术公司日前制造出了世界最大的碳纳米管被单。虽然被单面积仅1.6平方米，不足以充当一条沙滩毯子，但其包含数百亿个碳纳米管，强度为钢的200倍，而密度只有钢的1/30，这让人类太空电梯的梦想显现出丝丝光亮。日本科学家认为，他们可以解决这其中会遇到的材料、工程等问题，目前正计划在距离地球赤道地面36000千米的空中发射一颗静止卫星，从卫星上垂下一条总长度达10万千米的纳米材质电缆，预计建造成本仅1万亿日元。

美国麻省理工学院教授杰夫·霍夫曼表示，相信人类在一个合理的时间框架内能够做到，但目前没有能力用碳纳米管制造长电缆。

石墨烯：超级计算机放进口袋

晶体管的发明打开了硅元素的应用之门。信息时代可以说是硅电子元器件的天下，集成电路更是信息时代名副其实的―核心‖。但随着集成度越来越高，晶体管的体积面临物理极限，内部金属导线也难以承受更高频率的信号传送，传统硅集成电路发展遭遇瓶颈。未来出路在哪里呢？IBM的一项研究为人们打开了思路。据了解，IBM用石墨烯制造成场效应晶体管，取代硅集成电路。这种石墨烯场效应管的频率可达100G赫兹，即每秒一千亿次以上。如果用它来制作CPU、GPU之类的芯片，不仅速度快、能耗低，说不定超级计算机也可以放进口袋。

美国康奈尔大学研究人员还利用碳纳米管代替传统硅管，制造出高效太阳能电池，其在光能转化成电能的过程中，可以使电流强度加倍。研究人员称碳纳米管是一种理想的光电二极管。

石墨烯晶体管和碳纳米管在替代硅方面的应用，或许有朝一日能让人类告别硅时代，那时候的―硅谷‖可能要改成―碳谷‖。不过，石墨烯制造工艺要比单晶硅复杂得多，可能需要一个很久远的时间才能实现。

核石墨：核电站的安全卫士

核石墨具有热膨胀系数低、抗热冲击性好、中子活化性能低等优异性能，早在第一代核裂变反应堆就已经使用。在第四代反应堆，特别是最近的高温气冷堆中，核石墨更是不可缺少的慢化、反射和结构材料。日本核电站事故中的主反应堆并没有爆炸，发生爆炸的只是其储存核废料的部分，而保住核电站主反应堆的正是用纯核石墨制成的外罩。可以说，核石墨在捕集核废料、吸收核放射粒子等方面具有极大应用潜力，是核电站不折不扣的―安全卫士‖。

据清华大学深圳研究生院院长康飞宇教授介绍，核石墨主要用于生产石墨球、堆芯材料、电极等制品。由于核石墨对纯度、各向同性等指标要求比较高，世界上至今只有德国西格里、日本东洋炭素和东海炭素、法国罗兰石墨等企业能够生产，我国则主要依靠进口，而1吨核石墨的价格高达几十万元。

核石墨技术是核电站技术进步的基础。目前，我国正大力研究最先进的第四代反应堆，反应堆升级换代对核石墨的需求也水涨船高。如果新一代的核石墨外罩能够做到一步成型、无缝衔接，相信核电技术也会发展得更快、更安全。

10月17日，美国科学家表示，他们研发了一种人工合成高质量石墨烯的技术，新方法不仅可控且可进行扩展，有望为下一代电子设备的研制铺平道路。相关研究将发表在今年的第11期《碳》杂志上。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也最坚硬的材料，其导电、导热性能超强，远远超过硅和其他传统的半导体材料。科学家们认为，石墨烯有望彻底变革材料科学领域，未来或能取代硅成为电子元件材料，广泛应用于超级计算机、柔性触摸屏、环保和医疗设备、光子传感器以及有机太阳能电池等诸多领域。但要让石墨烯更好地应用于电子工业，还需找到可控且有效的方法，在更大范围内获得更高质量的石墨烯。加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）电子和计算机工程系教授考斯塔弗·巴纳吉领导的研究团队研制出的最新合成技术能提供高质量且均质的石墨烯。这一过程不仅可进行扩展，还能控制最终得到的石墨烯的层数——单层还是双层，这一点对石墨烯在电子和其他技术领域大展拳脚来说非常重要。研究团队的技术关键是他们深刻理解了基座对石墨烯生长动力学的重大影响。他们在一个经过预处理的铜基座上使用低压化学气相沉积（LPCVD）法并在特定的高温下将甲烷分解，从而制造出了均质的碳层（石墨烯）。参与研究的博士后研究员刘伟（音译）表示：―铜基座上不完美的位置点会显著影响石墨烯的生长，通过对铜表面进行正确处理并精确选择生长参数，我们做到了让石墨烯的质量和均质性达到最优化的同时控制石墨烯的层数。‖研究人员李宏（音译）称：―新方法制造出的石墨烯获得了迄今化学气相沉积法制造出的石墨烯拥有的最大载流子迁移率：平均值为4000平方厘米/伏·秒，最大值为5500平方厘米/伏·秒。与硅相比要高很多。

巴纳吉表示：―毫无疑问，石墨烯是一种非常优异的材料，其应用范围非常广泛，但在如何获得高质量的石墨烯以及如何定制其属性以便用于特殊用途等方面，我们还面临着巨大的挑战，不过，这些挑战也是我们未来研究的肥沃土壤。‖

石墨烯 + 水 = 未来电池

两种材料的组合——―石墨烯 + 水‖能制造能量存储系统，产生媲美锂离子电池的储能效果，并且在几秒钟内充满电，拥有几乎无限长的使用寿命。

―石墨烯 + 水‖ 储能的原理是利用电荷在全界面导电碳原子表面的有序堆积来实现电能的大量、超快速储存和释放，以―石墨烯 + 水‖凝胶为基础的新型储电装置可以在几秒内充放电，拥有几乎无限次的循环寿命。一直以来，产业界都在寻找高效、可控的电能储备材料，要求其导电性能良好、物化性质稳定，能够让电荷在其微观结构上实现最大程度的有序堆积，用以制作超级材料，实现电能的高效储备及释放。目前认为纳米石墨（石墨烯）就是这种潜在的理想材料。蒙纳士大学材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究团队正在研究一种名叫石墨烯的材料，这种材料有可能成为下一代超快速能量存储系统的基础。李博士说：―一旦我们能恰当地操纵这种材料，那么像 iPhone 这样的设备可以在数秒钟或更短的时间内完成充电。‖

石墨烯是石墨剥离成一个原子厚度的产物。石墨价格低廉、随处可见，常用于铅笔芯中，这种形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯强度高，具有化学稳定性，因此是绝佳的导电材料，它的另一个重要的特性就是表面积非常大。李博士说：―这些特性让石墨烯非常适合应用于能量存储系统。而目前石墨烯没有被大规模应用是因为这种材料非常薄，如果堆积到一起形成宏观结构时，会立即紧密连接在一起形成石墨。石墨烯重新堆积之后大部分表面将消失，不再具有石墨烯的特性。‖现在，李博士和他的团队找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可让石墨烯保持湿润——以凝胶的形式存在——让层与层之间产生排斥力，防止它们重新堆积。

李博士表示：―我们使用的是两种基本的、不昂贵的材料——水和石墨烯，他们能让这种纳米材料拥有非常惊人的特性。这个技术非常简单，能够大规模应用。我们发现这一点时，觉得它不可思议。‖

目前，―石墨烯 + 水‖储能需要攻克的关键技术是如何在不降低石墨烯物化性能的同时，将它高效有序的密集组装在一起，并且能够有效阻止石墨烯在加工过程中的二次堆叠。影响石墨烯广泛应用的关键问题是它的堆积结构。通常情况下，紧密堆积的石墨烯容易重新形成石墨，这样的话，将不再具有单片石墨烯独有的性能。李博士团队在工作中发现，石墨烯作为一种极其少见的二维凝聚态导电物质，在控制的条件下能够与水相互作用自行组装成微观纳米间隔而又宏观紧密堆积的三维凝胶结构，具有意想不到的性能，将会给电能储备技术带来突破性进展。应用到储能设备上时，无论是在电荷的储存量还是充电的速度方面，石墨烯凝胶能显著超越当前的碳基技术。目前以此材料构造的电储能装置所获能量密度已经相当于电动汽车中广泛使用的锂离子电池，所获功率密度百倍超过锂离子电池，以此为动力的电动汽车将有可能替代传统燃油动力汽车。

新型储电材料是低碳经济，清洁能源产业发展的重点领域，对人类未来可持续发展意义深远，尤其是对中国这样一个石化能源进口大国，关系到国民经济发展的平稳与安全。中国碳材料产业发达，石墨矿藏储量丰富，但是其产业一直处于产业链的低端。―石墨烯 + 水‖储能材料这一新技术将极大地提高现有石墨产业的附加值，改变电能储存产业现状，有望在消费电子、智能电网、动力机械及电动汽车领域获得广泛的应用。李博士认为这种新技术的发展前景不仅仅局限于消费电子产品，―高速、可靠、低成本的能量存储系统，是未来实现大规模应用可再生资源所产生的电能的关键，也是电动汽车大规模应用的关键。石墨烯凝胶同时显示出应用于水净化薄膜、生物医疗设备和传感器的潜力。‖

在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室的相关研究人员致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新进展，引起了国际学术界的关注，并分别在Chem.Rev.和Chem.Soc.Rev.上发表了综述。

在有机场效应晶体管(OFET)中，介电层/半导体层界面状态对器件性能有重要影响。在目前OFET的界面研究中，诸多界面参数的计算和测量都是基于统计平均的方法。表面能作为一个重要的介电层/半导体界面影响因素，其均匀程度对器件性能的影响在此前的界面研究中长期被忽视，而对表面能非均性这一关键因素考量的缺失，也正是界面研究中众多争议产生的主要根源之一。

该课题组在对介电层表面能非均匀性引起的一系列实验现象进行充分研究的基础上，通过实验证明了表面能非均匀性对有机场效应晶体管性能影响的广泛性，并且发现了表面能非均匀程度和有机场效应晶体管迁移率之间存在一种线性反比关系。相关研究成果发表在《先进材料》（Adv.Mater.2011, 23, 1009-1014）上，并被选为插页（图1）。

随后，该课题组的研究人员又在上述工作基础上，通过利用介电层表面能非均匀性对有机半导体层生长形貌进行控制和优化，制备出空穴迁移率高达3.6cm2/Vs的并五苯场效应晶体管，这是国际上已报道的并五苯柔性薄膜器件的最优结果之一。同时，研究人员又在这一高性能晶体管基础上，制备了高性能柔性环形振荡器，振荡频率超过1 kHz（图2）。相关研究成果在《先进材料》（Adv.Mater.2011, 23, 3128-3133）上发表。

石墨烯是由碳原子六角结构紧密排列的二维单层石墨层，是构成其它维度碳材料如富勒烯、碳纳米管和金刚石的基本单元。如何制备高质量，大面积，形貌可控的石墨烯是石墨烯领域的核心问题，也成为国际上石墨烯研究的竞争点所在。化学气相沉积法（CVD）由于具有成本低廉，可大规模制备等优点，近几年发展迅速，已经成为制备石墨烯的主要手段。该课题组采用CVD方法，选取金属铜作为催化剂，精确控制生长条件，成功地制备出形貌规则的六角石墨烯，并对其电学性质进行了深入研究（图3）。六角形貌石墨烯的发现极大地扩展了石墨烯领域的研究内容。相关研究内容发表在《先进材料》（Adv.Mater.2011, 23, 3522-3525）上。

基于石墨烯的新结构的探索是石墨烯研究领域的一个重要研究内容。课题组在液氮的条件下通过微波火花法剥离天然石墨，获得了高质量、高纯度的碳纳米卷（图4）。这种石纳米卷是由少数层或单层石墨烯卷曲而成，并有紧密的结构。该碳纳米卷的场效应器件在空气和氮气中都具有稳定的双极性行为，在氮气中最高的空穴迁移率可以达到3117 cm2/Vs，电子迁移率可以达到4595 cm2/Vs。碳纳米卷的还具有着稳定的线性电流/电压曲线，最高电流密度可达7 × 107 A/cm2（Adv.Mater.2011, 23, 2460-2463）。

最近，课题组和中国农业大学研究人员合作利用电化学方法，在柔性衬底上，将滴在两电极间的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通过一步法实现了还原和排布（图5左），并成功将其应用于农药的传感器中。该传感器对常用农药—乐果的传感灵敏度达到了7.6 ppb（图5右），并进一步分析得到该农药分子的活性来自于：氮、硫和磷原子的共同作用结果。相关研究成果发表在Adv.Mater.(2011, 23, 4626–4630)上。

多年来，相关研究人员开展了碳纳米管及其特性的研究，在碳纳米管可控制备、生长机理和电性能方面取得了系列成果，并得到学术界同行的认可，英国皇家化学会发表了Tutorial Review(Chem.Soc.Rev., 2011, 40, 1324-1336)，系统地介绍了近几年来在碳纳米管分离和富集的成果。

作为潜在的大面积，低成本，柔性的电子器件，有机场效应晶体管的研究在过去十年取得了重要的发展，正在走向应用。有机场效应晶体管主要为薄膜型器件，因此薄膜的制备技术、表征技术对薄膜的质量和器件性能具有重要的影响。该课题组不但重视分子材料的化学结构与器件性能之间的关系，还在薄膜的凝聚态结构与器件性能之间的关系的研究方面取得一些成果。应Chem.Rev.杂志的邀请，就―应用于场效应晶体管的有机薄膜的制备与表征的实验技术‖撰写了综述(Chem.Rev.2011, 111, 3358-3406)。

图1 介电层表面能非均匀性机理示意图和当期《先进材料》插页

图2 基于高性能并五苯场效应晶体管的五级柔性环形震荡电路

图3 CVD方法制备的六角石墨烯AFM图和两种可能的边界排列

图4 碳纳米卷形成示意图

图5 左图：为一步法排布与还原氧化石墨烯的示意图；右图：为制备的传感器对农药乐果的电流信号响应。

第二篇：燃料电池材料及其储能技术

燃料电池材料及其储能技术

姓名：李浩杰

学号：2014050101018

摘要：出于对环境友好、高转换效率、高功率、高能量密度的能源技术的需求，世界各国纷纷开展对于性能优良的燃料电池的研究。其研究重点主要集中在四个方面：电解质膜、电极、燃料、系统结构。其中又以前三个为热点。目前，由于在燃料大规模制备上的困难以及其在工作时需要的一些昂贵的贵金属，燃料电池大规模商业应用受到一定限制。关键字：燃料电池、电解质膜、储能

一、燃料电池原理

燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装臵。所用的燃料主要包括氢气、甲醇、乙醇、天然气、汽油以及一些含氢有机物。氢气可以直接作为燃料电池的燃料，其他气体一般需要处理为含氢气的重整气。由于其燃料来源广泛，发电后产生纯水和热，能量转换效率高达80%~90%，对环境无污染，所以广泛受到各国科学家的关注，被认为是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。

燃料电池的工作原理图如上所示。在阳极，氢气与碱中氢氧根的在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：

电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：

生成的氢氧根通过多孔石棉膜迁移到氢电极。

为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、等速地从阳极（氢电极）排出电池反应生成的水，以维持电解液浓度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。

容易看出，与其他电池相比，燃料电池内部并不储能，它只是高效地将从外部源源不断通入的燃料转换成电能，所以，它更像是一个微型的发电站。

二、燃料电池发展历程

1、国外

1839年，格罗夫发表世界上第一篇关于燃料电池的报告。初期的燃料电池使用气体为氧化剂和燃料，但因为气体在电解质溶液中溶解度很小，导致电池的工作电流密度极低。后来，多孔气体扩散电极和电化学反应三相界面概念的提出以及实际材料的突破，使燃料电池具备了走向实用化的必备条件。

60年代，由于载人航天器对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池开始引起一些国家与军工部门的高度重视。其典型成果为阿波罗登月飞船上的主电源—培根型中温氢氧燃料电池。

70~80 年代，由于出现世界性的能源危机和燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转化效率，促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民用燃料电池的开发，进而使磷酸型及熔融碳酸盐型燃料电池发展到兆瓦级试验电站的阶段。

20世纪90年代以来，出于可持续发展、保护地球、造福子孙后代等目的，基于质子交换膜的燃料电池开始高度发展。特别是在电动车行业，世界上所有的大汽车公司与石油公司均已介入燃料电池汽车的开发。

总的来说，燃料电池主要经历了经历了第1代碱性燃料电池（AFC），第2代磷酸燃料电池（PAFC），第3代熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）后，在20世纪80年代迅速发展起了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)。

2、国内

中国燃料电池的研究始于1958年。

1970年前后,开始了燃料电池产品开发工作并在70年代形成了燃料电池产品的研制高潮。主要开发项目是由国家投资的航天用碱性氢氧燃料电池,该产品的研制目标是为了配合中国航天技术发展计划的一个项目。

到70年代末,由于总体计划的变更而中止。但与该项计划实施的同时,一些由地方政府投资与使用部门合作的应用碱性燃料电池项目也进行了开发，只是尚未形成应用。

80年代初、中期,中国燃料电池的研究及开发工作处于低潮。

进入90年代以来,在国外先进国家燃料电池技术取得巨大进展,一些产品已进入准商品化阶段的形势影响下,中国又一次掀起了燃料电池研究开发热潮。

三、几种燃料电池简介

1、分类

（1）按燃料电池的运行机理可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

（2）按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。

（3）按燃料类型分，有氢气、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然气等气体燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有机液体燃料。有机液体燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。（4）按燃料电池工作温度分，有低温型，工作温度低于200℃；中温型，工作温度为200～750℃；高温型，工作温度高于750℃。

上图为几种常见燃料电池各种性能，应用环境的简单对比，现主要以电解质分类形式介绍几种常见的燃料电池。

2、质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池，最有希望作为未来电动汽车的发动机。在各种燃料电池中，它的工作温度是最低的，也是目前发展规模最大的一种。

上图为典型的单结质子交换膜燃料电池结构。由质子交换膜、催化层、气体扩散层、密封圈、双极板等关键部件组成。通常以全氟磺酸型质子交换膜为电解质膜，用Pt/C或者PtRu/C作为催化剂。以阴阳极催化剂层和电解质膜所组成的三合一组件统称为膜电极，是 它的核心部件。

实际应用的燃料电池电站是一个很复杂的系统，它包括燃料供应、氧化剂供应、电池反应、水热管理等多个子系统。

它的工作原理是是氢气和氧化剂分别由燃料电池的阳极和阴极流道进入电池内部，经过气体扩散层后到达电极催化层。阳极侧的氢气在催化剂的作用下，解离成氢离子和电子，氢离子穿过质子交换膜到达阴极侧，电子则经过外电路形成电流后到达阴极；在阴极催化剂的作用下，氧气接受质子和电子生成水分子，在整个过程中，外电路的电子流动形成电流。

目前限制质子交换膜燃料电池进入商业化的最主要原因是成本和寿命两大问题，寻找和开发新型材料成为解决这两大问题、推进商业化进程的必然选择，也是质子交换膜燃料电池近些年来的研究重点和热点。

3、熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）在高温下工作（约 650℃），可以利用排气余热和燃气轮机混合发电，发电效率通常高达50%以上，,可用多种燃料(如天然气和煤)，不需要用铂等贵重金属作为催化剂，有望应用到中心电站，工业化或商业化联合发电，是目前燃料电池研究的主流之一，上图为平板式熔融碳酸盐燃料电池单体结构示意。它由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成。目前,MCFC的主要技术问题已经基本解决。美国、日本等正在进行十万瓦和兆瓦级的实用演示试验,预计距商业化为期不远。

4、固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池是20世纪八九十年代燃料电池研究的成果，该燃料电池具有诸多优点。比如避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题，反应迅速，无须贵金属催化剂，能量利用率高达80%以上，燃料广泛，可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，因此对电极的要求大大降低。基于此，目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发。

上图为固体氧化物燃料电池的工作原理图。它主要由阴极、阳极、电解质和连接材料组 成。在阳极和阴极分别送入还原、氧化气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧负离子。氧负离子在电解质中通过氧离子空位和氧离子之间的换位跃迁达到阳极，然后与燃料反应，生成水和二氧化碳，因而形成了带电离子的定向流动。

四、燃料电池的应用

1、航天领域

早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻质、高效的动力源一直是美国航天技术的首选。比如，以燃料电池为动力的 Gemini宇宙飞船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飞行。后来在Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质燃料电池，从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。

中国科学院大连化学物理研究所早在70年代就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃料电池系统。A型额定功率为 500 W，B型额定功率为 300 W，燃料分别采用氢气和肼在线分解氢，整个系统均经过环境模拟实验，接近实际应用。这一航天用燃料电池研制成果为我国此后燃料电池在航天领域应用奠定了一定的技术基础。

2、潜艇

燃料电池作为潜艇AIP动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP潜艇下水至今已经有6艘在役。FC-AIP 潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为 2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。

3、电动汽车

随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题．燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境、能源问题的可行方案之一。燃料电池汽车示范在国内外不断兴起，较著名的是欧洲城市清洁交通示范项目。

4、固定式分散电站

污染重、能效低一直是困扰火力发电的核心问题，燃料电池作为低碳、减排的清洁发电技术，受到国内外的普遍重视。比如PAFC电站的代表性开发商UTC Power 公司已经开发出了400 k W 磷酸燃料电池发电系统；PEMFC电站的代表性开发商Ballard 公司开发出了 250 k W ～ 1 MW的示范电站。

第三篇：储能电源故障调查报告

储能电源故障调查报告范文

一、故障概述

2021年4月25日15:56分0101车在森林公园下行运行时，HMI上报MC1车储能电源显红，列车限速45km/h，熔断器故障

二、故障影响范围

维持运行，体育馆转备后回库处理

三、故障处理过程

T01车MC1车储能电源正负端熔断器熔断故障的处理情况：

1.车辆回库放电后，打开MC1车电容柜熔断器装配箱盖板，检查正负端熔断器的状态，熔断器上的微动开关没有弹开，测量放电柱两端的电压，电压为0（电容柜已放电）。测量电容柜正负端熔断器的通断，熔断器处于导通状态，判断熔断器无故障。

2.检查正负端熔断器上微动开关的接线情况，未发现异常。测量正端熔断器的微动开关=11-Q01的1’点和2’点至=11-X3之间的连线的电阻值，电阻正常。测量负端熔断器的微动开关=11-Q02的1’点和2’点至=11-X3之间的连线的电阻值，电阻正常。

3.检查主辅控单元接插件的连接情况，未发现异常。激活车辆后，HIM屏一直报正负端熔断器熔断故障。拆下正端熔断器的微动开关=11-Q01测量1’点和2’点的电压，电压值为0，手动按下微动开关的触点，测量1’点和2’点的电压，电压值为0。拆下负端熔断器的微动开关=11-Q02测量1’点和2’点的电压，电压值为0，手动按下微动开关的触点，测量1’点和2’点的电压，电压值为0。

4.更换MC1车的主辅控单元。激活车辆后，HIM屏未报故障。拆下正端熔断器的微动开关=11-Q01测量1’点和2’点的电压，电压值为0，手动按下微动开关的触点，测量1’点和2’点的电压，电压值为24V。拆下负端熔断器的微动开关=11-Q02测量1’点和2’点的电压，电压值为0，手动按下微动开关的触点，测量1’点和2’点的电压，电压值为24V。

四、故障原因及解决方案

◆故障定性：储能电源主控制板熔断器故障导致

◆故障原因：储能电源主控制板熔断器内部开路导致的◆解决方案：更换0101车MC1车储能电源的主控制板

五、改进措施

加强日常的储能电源板卡检查和测量，发现异常做预防性更换。

第四篇：超导储能调研报告

目录

一、前沿...................................................................................................................................2

二、超导储能系统的构成及其工作原理...............................................................................3 2、1超导磁体......................................................................................................................4 2、2低温系统......................................................................................................................5 2、3功率调节系统..............................................................................................................6 2、4监控系统......................................................................................................................6

三、SMES在电力系统中的应用途径.....................................................................................7 3、1提高电力系统的稳定性。..........................................................................................7 3、2改善电能质量。..........................................................................................................7 3、3提供系统备用容量。..................................................................................................7 3、4用于可再生能源发电及微电网。..............................................................................8

四、超导磁储能(SMES)的发展历史及现状............................................................................8

一、前沿

超导磁储能系统(super conducting magnetic energy storage，SMES)利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快(ms级)，转换效率高(≥96%)、比容量(1-10Wh/kg)/比功率(104-105kW/kg)大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。SMES在技术方面相对简单，没有旋转机械部件和动密封问题。目前，世界上1-5MJ/MW低温SMES装置已形成产品，100MJSMES已投入高压输电网中实际运行，5GWhSMES已通过可行性分析和技术论证。SMES可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求。

我国经济高速发展使得我国的电力系统已经成为世界上最庞大最复杂的系统之一。电力安全已经成为国家安全的一个重要方面。同时，信息化、精密制造以及生产生活对电力的依赖程度已经对电力供给的可靠性和供电品质提出了更高的要求。石油、煤炭等能源资源将无法满足未来电力的供给需要，开发新能源、可再生能源已成为一项保证国家可持续发展的战略性国策。21世纪电力工业所面临的主要问题有：应用分散电力系统，提高设备利用率，远距离大容量输电，各大电网间联网，高质量供电，改善负荷特性等。针对这些问题，与现有的采用常规导体技术的解决方案相对应，都有一种甚至多钟超导电力装置能为问题的解决提供新的技术手段。由于超导体的电阻为零，因此其载流密度很高，因此可以使超导电力装置普遍具有体积小、重量轻等特点，制成常规技术难以达到的大容量电力装置，还可以制成运行于强磁场的装置，实现高密度高效率储能。作为一种具备快速功率响应能力的电能存储技术，超导磁储能系统(Super conducting magnetic energy storage，SMES)可以在提高电力安全、改善供电品质、增强新能源发电的可控性中发挥重要作用。

二、超导储能系统的构成及其工作原理

SMES是利用超导磁体将电磁能直接储存起来，需要是再将电磁能返回电网或者其他负载。超导磁体中储存的能量E可由下式表示：

E=0.5LI²

超导磁体是SMES系统的核心，它在通过直流电流时没有焦耳损耗。超导导线可传输的平均电流密度比一般常规导体要高1-2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的储能密度，约为10J/m。与其他的储能方式，如蓄电池储能、压缩空气储能、抽水蓄能及飞轮储能相比，SMES具有转换效率可达95%、毫秒级的影响速度、大功率和大能量系统、寿命长及维护简单、污染小等优点。超导磁体储能装置原理示意图如下：

1、超导线圈

2、制冷剂

3、低温容器

4、直流电源

5、持续电流回路

SMES一般有超导磁体、低温系统、磁体保护系统、功率调节系统和监控系统等几个主要部分组成。图1—1是SMES装置的结构原理图，该结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出来的，以后SMES装置的研究设计一般都是一次结构作为参考原型。图中的变压器只是为了选择适当的电压水平以方便地连接SMES与电力系统，不属于SMES的必要部件。

图1—1 SMES装置的结构原理 2、1超导磁体

储能用超导磁体可分为螺管形和环形两种。螺管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大;环形线圈周围杂散磁场小，但结构较为复杂。由于超导体的通流能力与所承受的磁场有关，在超导磁体设计中第一个必须考虑的问题是应该满足超导材料对磁场的要求，包括磁场在空间的分布和随时间的变化。除此意外，在磁体设计中还需要从超导线性能、运行可靠行、磁体的保护、足够的机械强度、低温技术与冷却方式等几个方面考虑。

螺管形

环形 2、2低温系统

低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境。超导磁体的冷却方式一般为浸泡式，即将超导磁体直接至于低温液体中。对于低温超导磁体，低温多采用液氦(4.2K)。对于大型超导磁体，为提高冷却能力和效率，可采用超流氦冷却，低温系统也需要采用闭合循环，设置制冷剂回收所蒸发的低温液体。基于Bi系的高温超导磁体冷却只20-30K一下可以实现3-5T的磁场强度，基于Y系的高温超导磁体即使在77K也能实现一定的磁场强度。随着技术的进步，采用大功率制冷机直接冷却超导磁体可成为一种现实的方案，但目前的技术水平，还难以实现大型超导磁体的冷却。

低温杜瓦

制冷系统 2、3功率调节系统

功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。目前，功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的PWM变流器，他能够在四象限快速、独立的控制有功和无功功率，具有谐波含量低、动态响应速度快等特点。根据电路拓扑结构，功率调节系统用变流器可分为电流源型(Current Source Converter，CSC)和电压源型(Voltage Source Converter，VSC)两种基本结构。由于超导磁体固有的电流源特性，CSC的直流侧可以与超导磁体(Superconducting Coil，SC)直接连接，而VSC用于SMES时在其直流侧必须通过斩波器(Chopper)与超导磁体相连。2、4监控系统

监控系统由信号采集、控制器两部分构成，其主要任务是从系统提取信息，根据系统需要控制SMES的功率输出。信号采集部分检测电力系及SMES的各种技术参量，并提供基本电气数据给控制器进行电力系统状态分析。控制器根据电力系统的状态计算功率需求，然后

SMES电流源型和电压源型变流器

通过变流器调节磁体两端的电压，对磁体进行充、放电。控制器的性能必须和系统的动态过程匹配才能有效的达到控制目的。SMES的控制分为内环控制和外环控制。外环控制器做为主控制器用于提供内环控制器所需要的有功和无功功率参考值，是由SMES本身特性和系统要求决定的;内环控制器则是根据外环控制器童工的参考值产生变流器开关的触发信号。

三、SMES在电力系统中的应用途径 3、1提高电力系统的稳定性。

SMES作为一个可灵活调控的有功功率源，可以主动参与系统的动态行为，既能调节系统阻尼力矩又能调节同步力矩，因而对解决系统滑行失步和振荡失步均有作用，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳态。3、2改善电能质量。

由于SMES可发出或吸收一定的功率，可用来减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击，SMES可作为敏感负载和重要设备的不间断电源，同时解决配电网中发生异常或因主网受干扰而引起的配电网向用户宫殿中产生异常的问题，改善供电品质。3、3提供系统备用容量。

系统备用容量的存在及其大小，既是一个经济问题，又是涉及电网安全的技术问题，对于保障电网的安全裕度。事故后快速恢复供电具有重要作用。以目前的水平，SMES高效储能特性可用来储存应急备用电力，但是不足以作为大型电网的备用容量。3、4用于可再生能源发电及微电网。

SMES的高效储能与快速功率调节能力可在风能、太阳能等可再生能源发电系统中平滑输出功率波动，有效抑制这类电源引起的电压波动和闪变等电能质量问题，提高并网运行的可控性与稳定性。微网是有效利用分散的新能源提高电力系统供电可靠性的一项新兴技术，SMES可以改善微网的并网特性、提高微网的孤岛运行性能。

四、超导磁储能(SMES)的发展历史及现状

近30年来，SMES的研究一直是超导电力技术研究的热点之一，20世纪70年代提出SMES的概念时，着重的是其储能能力，期望可以作为一种平衡电力系统日负荷曲线的储能装置。随着技术的发展，SMES已不仅仅是一个储能装置，而是一个可以参与电力系统运行和控制的有功、无功功率源，它可以主动参与电力系统的功率补偿，从而提高电力系统的稳定性和功率传输能力，改善电能质量。几十年的发展已经是SMES开始进入电力系统试运行，也有了部分商业化产品。

1969年Ferrier提出了利用超导电感储存电能的概念。20世纪70年代初，威斯康辛(Wisconsin)大学应用超导中心利用一个由超导电感线圈和三相AC/DC格里茨(Graetz)桥路组成的电能储存系统，对格里茨桥在能量储存单元与电力系统相互影响中的作用进行了详细分析和研究，发现装置的快速响应特性对于抑制电力系统振荡非常有效，开创了超导储能在电力系统应用的先。70年代中期，为了解决BPA(Bonneville Power Administration)电网中从太平洋西北地区到南加州1500km的双回路交流500kv输电线上的低频振荡问题，提高输电线路的传输容量，LASL和BPA合作研制了一台30MJ/10MW的SMES并将其安装于华盛顿塔科马(Tacoma)变电站进行系统试验。30MJSMES系统是超导技术在美国第一次大规模的电力应用，现场试验结果表明SMES可以有效解决BPA电网中从太平洋西北地区到南加州双回路交流输电线上的低频振荡问。

1987年起，美国核防御办公室(Defense Nuclear Agency,DNA)启动了SMES-ETM(Engineering Test Model)计划，开展了大容量(1~5GWh)SMES的方案论证，工程设计和研。到1993年底，R.Bechtel团队建成了1MWh/500MW的示范样机，并将其安装于加利福尼亚州布莱斯，可将南加里福尼亚输电线路的负荷传输极限提高8%。

此外，美国在小容量SMES研究和应用方面也开展了大量和卓有成效的工作。1988年，SI公司开始进行中小容量(约1~3MW/1~10MJ)和可移动SMES的开发和商业化，以解决供电网和特殊工业用户的电能质量问题。此后，ASC公司在SI的基础上，又提出了分布式SMES(Distributed SMES,D-SMES)等概念，并对诸如改善配电网的电能质量、为对电能质量敏感的工业生产基地提供高质量不间断电源以及提高供电网电压稳定性问题进行了研究。1990~2004年间，SI/ASC公司先后有约20多台SMES投入运行。美国、德国和日本等都提出研制100kwh等级的微型SMES，这种SMES可为大型计算中心、高层建筑及重要负荷提供高质量、不间断的电源，同时也可用于补偿大型电动机、电焊机、电弧炉、轧机等波动负载引起的电压波动，它还可用作太阳能和风力发电的储能等。美国AMSC公司还提出研制一种新的D-SMES，用于配电网的功率调节。目前，美国已有多台微型超导储能装置在配电网中实际应用，美国还将研制100MJ/50MW的SMES安装在CAPS(the Center for Advanced Power System)基地，SMES不仅可以为脉冲功率试验提供能量支撑，而且它的现场师范运行对军用和民用SMES技术的发展都很有意义。

1999年，德国的ACCEL、AEG和DEW联合研制了2MJ/800kWSMES，解决DEW实验室敏感负荷的供电质量问题。日本九州电力公司先后研制了30kJ以及3.6MJ/1MW的SMES，日本的中部电力公司(1MJ)、关西电力公司(1.2MJ)、国际超导研究中心(48MJ/20MW)也分别进行了EMSE的研究工作。

在国内，中国科学院电工研究所、中国科学院合肥分院等离子体物理研究所等单位很早就开始了超导磁体的研究工作，在超导磁体分离、磁流体推进、核磁共振乃至磁约束核聚变托卡马克磁体等方面做了大量工作。进入21世纪后，随着高温超导技术的进步，清华大学研制了3.45kJBi-2223SMES磁体，研制了150kVA的低温超导磁体储能系统并将其用于改善电能质量的实验室研究。2005年华中科技大学研制成功了35Kj/7.5kW直接冷却高温超导SMES实验样机。中科院电工所提出了基于超导储能的限流器方案并研制了实验样机，2006年又启动了1MJ/0.5MVA高温超导SMES的研究项目。

第五篇：电力储能产业上市公司

电力储能产业上市公司

1.阳光电源

是一家专注于太阳能、风能、储能等新能源电源设备的研发、生产、销售和服务的国家重点高新技术企业。主要产品有光伏逆变器、风能变流器、储能系统、电动车电机控制器，并致力于提供全球一流的光伏电站解决方案、储能及微电网解决方案。其中光伏电站解决方案包括：荒漠电站、屋顶电站、山丘电站。能及微电网解决方案主要有储能并网系统、光储微电网系统、燃料节约系统，主要应用与厂矿、企业、村落、通讯基站、光伏、风能发电站、地铁、港口医院等。

太阳能光伏逆变器产品继续稳居国内市场占有率第一，光伏电站系统集成业务也快速发展。

公司布局储能电源领域公司与三星SDI株式会社与2014年11月在韩国釜山签订了正式的合资合约，双方将在合肥建立合资公司，携手开展电力用储能系统相关产品的研制、生产和销售。依据计划，双方将在合肥高新区新设立储能电池和储能电源两个合资公司，分别从事电力用锂离子储能电池包的开发、生产、销售和分销，及电力设施用变流设备和一体化储能系统的开发、生产、销售和分销。双方约定，将充分利用各自优势，强强联合，共同开拓电力储能市场，并致力于成为全球领先的储能产品及系统解决方案供应商。

2.南都能源

公司主营业务为通信后备电源、动力电源、储能电源、系统集成及相关产品的研发、制造、销售和服务；主导产品为阀控密封蓄电池、锂离子电池、燃料电池及相关材料。产品广泛应用于通信、电力、铁路等基础性产业；太阳能、风能、智能电网、电动汽车、储能电站等战略性新兴产业；电动自行车电池、通讯终端应用电池等民生产业。

公司战略目标：致力于成为全球的通信后备电源、储能应用电源、动力电源和新能源应用领域系统解决方案的领导者。在储能应用领域，拥有大型储能、离网储能、分布式储能的系统设计及集成技术；在动力应用领域，拥有电动汽车、电动叉车、电动自行车等车用超级电池、锂离子电池技术；在通信应用领域，拥有IDC等交换机房用、基站用、UPS用等阀控电池、锂电池、燃料电池技术，其中适用于高温环境下的环保节能电池为国际首创，具有巨大的经济及生态效益；在新型材料方面，拥有锂离子电池正负极材料、阀控电池正负极材料、电解质材料等多项核心技术。

公司主营业务：

储能领域：

2014年，公司储能业务实现销售收入15,969.52万元，同比增长14.69%。公司继续保持行业领先地位，在大规模储能、分布式储能、户用储能等领域齐头并进，各类系统解决方案及产品日趋成熟。在大规模储能及分布式微网储能领域，公司以锂电和铅炭电池核心技术为基础，提供全面系统解决方案，完成了国家风光储输示范工程项目（国家电网主导、国内影响力最大的新能源综合示范项目）、广东电科院广成铝业1.5MW蓄能项目（科技部863项目）、浙江鹿西岛4MWh新能源微网储能项目（科技部863项目）等项目的装机运行，并在一系列新的示范项目中中标。

3.科陆电子

科陆电子是智能电网、新能源、节能减排产品设备研发、生产及销售方面的龙头企业，较早涉足物联网行业，独立开发、自主研制并生产了100多种主要产品。

公司主要发展领域为智能电网领域、新能源光伏发电、储能方面、新能源电动汽车充电网络建设方面。主要包括智能变电站、智能用电系统、智能电能表、标准仪器仪表、风电变流器装置、储能与电力电源、机场专用中频静态电源、大功率光伏逆变器、高中低压变频器、高压大功率静止无功发生器SVG、电动汽车充放电设备及检测产品、电子资产全生命周期管理系统等十几类产品。

储能方面，公司依托国家能源局成立的可再生能源规模化储能并网工程实验室，已研制出具有虚拟同步机特性的光伏-储能一体化高效智能充放电控制技术，研制成功500KW级的具有自同步电压源（V/F模式）电力能量路由器，能实现8台以上并联运行；兆瓦级箱式储能电站继成功应用于中广核曲蔴莱7.203MWp离网光伏电站、祁连3.087MWp离网光伏电站等几个示范项目后，于2014年7月一举中标青海黄河上游水电开发有限责任公司青海玉树州无电地区电力建设独立光伏供电工程户用系统设备采购项目，公司为此项目唯一中标人，合计中标金额14,940.47万元。

4.猛狮电源

广东猛狮电源科技股份有限公司成立于2001年，是一家以研发、生产和销售各类电池以及电池应用为主的新能源及节能技术领域高新技术企业。2008年，猛狮科技在全球范围率先推出纳米胶体电解质起动电池，经过六年的不断努力，纳米胶体电池在欧美高端摩托车更换市场已经成为新一代高科技换代产品，逐步取代传统的铅酸电池。2014年公司推出的全系列高倍率磷酸铁锂起动电池，是目前世界上性能最好的锂离子起动电池之一，已经高调进入美国市场和欧洲市场。为了应对日益复杂的市场竞争的需要，公司已经成功开发出6大系列800多种规格型号的电池产品，涵盖汽车、工程机械、船舶、摩托车、通信、电力、照明、电动车辆、光伏储能等各个领域。

公司主要发展领域为摩托车起动电池，在新能源车辆研发、储能系统领域。在储能系统领域，公司主要开发产品分为三大类，分别为家庭便携式储能系统、微电网复合储能系统、MW级智能电网储能系统，具体如下： 1)便携式式储能系统分为离网式、离并网式，功率范围从20W到10kW，特点是携带方便，安装简单，主要应用在家庭应急供电、缺电地区储备电能； 2）储能系统分为离网式、并网式、侧并网式等，功率范围从2kW到500kW，主要应用于分布式储能、微电网系统储能等领域； 3）MW级智能电网储能式系统，主要是并网式，功率一般大于0.1MW，应用于智能电网削峰填谷，大型光伏、风力发电站储能。

5.圣阳电源

公司专业从事通信备用电源、电力备用电源、新能源储能电源、动力电源、新能源系统集成等系统方案的设计、开发和经营，是国际知名、国内领先的绿色能源制造商。目前，公司已形成成熟的AGM和GEL两大类阀控铅酸蓄电池开发技术、锂离子电池开发技术和新能源系统集成技术。主要产品有：FCP铅炭电池、铅酸蓄电池、新能源系统集成、锂离子电池产品，广泛应用于通信、电力、动力和新能源储能等领域，远销30多个国家和地区，畅销国内外市场。

水系离子电池研发公司

1、巨化股份

2013年巨化与中科院宁波材料技术与工程研究所合作，主要合作领域有固体氧化物燃料电池、加氢催化剂、海洋新材料重点实验室及有机涂料、复合材料、激光表面处理、热喷涂技术以及高效硅基薄膜太阳能电池等项目。

2013年7月中科院宁波材料技术与工程研究所科研人员在水系离子电池研究中获重要进展，首次提出用锂钠混合离子电解质这一全新理念构建新型水系离子电池。传统的以有机溶剂为电解液的锂离子电池能量密度高，但存在安全性低和成本高的问题。与之相比，水系离子电池具有价格廉价、无环境污染且安全性高等优点，在大规模储能体系中具有潜在的重要应用前景。然而，目 前适用于水系钠离子电池的电极材料极为匮乏，这成为阻碍钠离子电池发展的瓶颈。为此，宁波材料所动力锂电池工程实验室研究人员设计出一种新型水系锂钠混合离子电池。这类电池的一极采用选择性嵌入/脱嵌锂离子的化合物为活性材料，而另一极则选用选择性嵌入/脱嵌钠离子的化合物作为活性材料，同时以锂钠混合离子水溶液作为电解质。

得益于其独特的工作原理，这类电池不但能储存电能，而且还具有分离锂离子和钠离子的功能。电池可通过反复的充放电过程来实现对锂离子和钠离子的富集，与现有其他化学分离技术相比，此操作更为简便且更加绿色环保。

2、郑州大学化学与分子工程学院

郑州大学化学与分子工程学院陈卫华博士开发的一种水系可充放锂离子的电极材料及包含该材料的水系可充放锂离子电池，获国家发明专利授权，标志着一种新型绿色环保电池的诞生。

据陈卫华介绍，有机系锂离子电池因其有机电解液具有毒性和可燃性，在过充或短路等不当操作中存在严重的安全隐患。

此外，非水电解液的离子电导率比相应的水溶液电解液要低两个数量级，有机电解液电池的制作成本也相应高很多。考虑到成本、安全性和循环寿命，这些缺点限制了大型电池的应用。

水系锂离子电池可从根本上解决上述问题，并能有效简化有机锂离子电池的严格组装条件，降低其制备和生产成本，具有广阔的市场前景。此外，水系锂离子电池体系基本可避免现有水系电池中存在的重金属污染问题，属绿色环保的新型电池。