近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所（簡(jiǎn)稱山西煤化所）主持制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TS 62565-5-1 Nanomanufacturing – Material Specifications – Part 5-2: Nano-enabled electrodes of electrochemical capacitor – Blank detail specification (超級(jí)電容器電極片-空白詳細(xì)規(guī)范)由國(guó)際電工委員會(huì)納米電工產(chǎn)品與系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)（IEC/TC 113）對(duì)外正式發(fā)布，參與制定單位還包括寧波中車新能源科技有限公司、深圳市標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和國(guó)家納米科學(xué)中心。該標(biāo)準(zhǔn)是超級(jí)電容器用電極片的首個(gè)國(guó)際空白詳細(xì)規(guī)范，詳細(xì)梳理了電極片影響器件性能的化學(xué)、物理、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)關(guān)鍵控制特性及其相應(yīng)測(cè)試方法。
核心材料亟待國(guó)產(chǎn)化
為什么有的電動(dòng)汽車啟動(dòng)提速能力堪比超跑？源于它安裝的超級(jí)電容器。如果鋰離子電池是耐力超強(qiáng)，續(xù)航給力的長(zhǎng)跑選手，那么超級(jí)電容器就是爆發(fā)力特別猛的短跑健將，基于它獨(dú)特的功率特性，超級(jí)電容器和鋰離子電池可以互相彌補(bǔ)缺陷，搭配使用。此外，同等體積的超級(jí)電容器是普通電容器儲(chǔ)電容量的數(shù)萬(wàn)倍，深度充放電循環(huán)壽命可達(dá)幾十萬(wàn)次，同時(shí)具備超低溫冷啟動(dòng)和免維護(hù)等特點(diǎn)，是未來(lái)智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐部件，可用于電力監(jiān)測(cè)通信終端、電網(wǎng)調(diào)頻和規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。
上世紀(jì)70年代，美國(guó)和日本發(fā)明了超級(jí)電容器并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，且掌握了其關(guān)鍵活性材料——電容炭的制備，電容炭因?yàn)槠涓唠y度的制造工藝，一直以來(lái)受制于人。在他們的技術(shù)封鎖下，電容炭售價(jià)高達(dá)數(shù)十萬(wàn)元每噸。
首個(gè)國(guó)際空白詳細(xì)規(guī)范
近年來(lái)，得益于相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究進(jìn)展，我國(guó)的電容炭生產(chǎn)技術(shù)取得了重要突破，山西煤化所開展電容炭研究以來(lái)，打通了“原料-材料-器件-應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈，在電容炭國(guó)產(chǎn)化研究中，建立了超級(jí)電容器中試平臺(tái)，用于評(píng)估電容炭的電化學(xué)性能，進(jìn)一步反饋指導(dǎo)材料研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制。山西煤化所科研人員發(fā)現(xiàn)，電容炭材料特性如形貌、粒徑及比表面積等對(duì)于電極成型工藝有極大影響，直接決定著極片的制造效率、生產(chǎn)成本和物化性能，進(jìn)而影響器件的最終電化學(xué)性能。反之，將電容炭制成電極漿料涂布在導(dǎo)電鋁箔之后，形成的電極片能夠及時(shí)反映原材料電容炭的特性，是原材料和器件之間的關(guān)鍵橋梁。因此對(duì)超級(jí)電容器電極片的關(guān)鍵控制特性進(jìn)行準(zhǔn)確表征，并闡明“電容炭-電極片-電容器”之間的構(gòu)效關(guān)系，對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)十分重要。
在開展基礎(chǔ)研究和工藝技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，山西煤化所先進(jìn)炭材料與器件研究組于2018年提出制定電極片空白材料規(guī)范的設(shè)想，該標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目于2020年正式立項(xiàng)，歷時(shí)三年時(shí)間完成。“由我國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)充分聽取了國(guó)外專家的意見，更重要的是體現(xiàn)了中國(guó)科學(xué)家在該領(lǐng)域的實(shí)力，在消除技術(shù)壁壘方面掌握了主動(dòng)權(quán)?！敝锌圃禾坎牧现攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、標(biāo)準(zhǔn)編制組組長(zhǎng)陳成猛研究員表示，“我們對(duì)超級(jí)電容器核心材料——電容炭、電極片等的性能進(jìn)行了規(guī)范，制定了關(guān)鍵材料的化學(xué)、物理、結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)它們的純度、機(jī)械強(qiáng)度、厚度、面密度、壓實(shí)密度、孔隙率和導(dǎo)電性等影響器件最終性能的指標(biāo)全部分析，每個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)試方法也有規(guī)可循，這不是單個(gè)參數(shù)測(cè)試規(guī)范，而是材料的首個(gè)國(guó)際空白詳細(xì)規(guī)范，有利于改變科研和生產(chǎn)脫節(jié)、‘自說(shuō)自話’，缺乏‘共同語(yǔ)言’的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！?/span>
統(tǒng)一“話術(shù)”
編制組組長(zhǎng)王振兵表示，“標(biāo)準(zhǔn)的撰寫是極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊患?，不論是在?duì)術(shù)語(yǔ)的定義上，還是在特性的測(cè)試方法上。每個(gè)項(xiàng)目的背后都需要大量的數(shù)據(jù)調(diào)研搜集和實(shí)驗(yàn)論證，所以對(duì)于團(tuán)隊(duì)的實(shí)力要求非常高。超級(jí)電容器研究領(lǐng)域關(guān)注度非常高，屬于熱門學(xué)術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中，我們課題組研究人員一方面聯(lián)絡(luò)國(guó)內(nèi)研究者，另一方面與超級(jí)電容器關(guān)鍵材料、器件生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)合作，凝練了領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的智慧?！?/span>
“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)句句干貨，歐美科學(xué)家喜歡挑出語(yǔ)法和用詞的意見，而日本專家則相對(duì)更加認(rèn)真一些。他們認(rèn)為電極片的空白詳細(xì)規(guī)范不應(yīng)包括電化學(xué)性能，這一類指標(biāo)應(yīng)該屬于器件規(guī)范。我們認(rèn)為電化學(xué)性能是用戶選擇合適材料的最關(guān)鍵的指標(biāo)，幾乎所有的電容炭、電極片出廠時(shí)都包含這一類指標(biāo)，我們據(jù)理力爭(zhēng)，最終獲得了投票通過(guò)”，編制組成員黃顯虹表示。
29頁(yè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，字斟句酌，反復(fù)推敲。在IEC/TC 113國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定會(huì)議上，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容經(jīng)受了數(shù)十個(gè)國(guó)家專家的檢驗(yàn)，每年兩次工作組會(huì)議上，編制組每次收到數(shù)十條反饋意見，在中國(guó)、加拿大、韓國(guó)、德國(guó)、俄羅斯的多名專家的參與協(xié)助下，報(bào)批稿取得了100%的支持率（通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)是2/3投票支持率），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC/TS 62565-5-1）才面向全球公布。
該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，將為超級(jí)電容器電極片統(tǒng)一術(shù)語(yǔ)概念、規(guī)范生產(chǎn)流程、建立產(chǎn)品規(guī)范提供指導(dǎo)，為促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)技術(shù)交流、技術(shù)合作及消除貿(mào)易壁壘提供支持。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)是超級(jí)電容器電極片的首個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的空白，也為IEC/TC 113引入了超級(jí)電容器及其材料的概念，開啟了IEC/TC 113在超級(jí)電容器用炭納米結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，提升我國(guó)在超級(jí)電容器用炭材料領(lǐng)域的國(guó)際影響力和話語(yǔ)權(quán)。
與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)攻關(guān)同步的是，山西煤化所研發(fā)的國(guó)產(chǎn)電容炭已實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，并進(jìn)入量產(chǎn)階段。2022年4月，山西中科美錦炭材料有限公司一期500噸電容炭產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目啟動(dòng)施工建設(shè)，連同這項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，有助于國(guó)產(chǎn)電容炭材料走向國(guó)際市場(chǎng)。
