巨电容器——颠覆锂电王朝的技术来了?

上世纪70年代石油危机催生的锂电池技术,被视为最伟大的工业发明之一。锂电池作为当今最主要的便携式能源,影响着人们生活的方方面面,改变了人类的生活方式。如果没有锂电池,就不会有如今的便携或穿戴式设备、手机、电动汽车、无人旋翼机等等。古迪纳夫(John. B. Goodenough)等三位教授,也因就锂电池的发明做出了奠基性贡献而荣获 2019 年诺贝尔化学奖。

然而锂电池并非完美。安全隐患、能量密度及充放电速率(功率密度)依然偏低、寿命偏短等,是锂电池的重大痛点。如现代主流锂电池的能量密度接近 300Wh/kg,而汽油的能量密度约 13000 Wh/kg,是锂电池的 40 多倍,且充电比加油的时间又长很多,使电动汽车在续航里程、便利性等方面较燃油汽车仍有不少差距。因此下一代电能存储器件的开发成为业界竞争的焦点,是否会有一种能使安全性、寿命、能量密度、功率密度等性能全面提升的产品?超级电容器作为潜在技术路线之一,曾被寄予厚望。美国《探索》杂志 2007 年 1 月号刊,将其列为当时世界七大技术发现之一,认为这将是电能储存领域的一项革命性发展。

典型电容器具有两导电极板间夹一层介电质材料的三明治结构,与电池的电化学工作原理不同,它是静电物理储能器件。当在两极板间施加电压充电时,其中一个的表面会积聚正电荷,另一个相应积聚起负电荷。与电池类似,电容器经外部电路的负载连接两极板就会产生电流放电。电容器不仅寿命长且功率密度极高,能以比锂电池大得多的电流快速充放电。其能量密度 D 正比于极板间电压的平方 V² 和介电质材料的相对介电常数 k,即 D∝kV²。因安全性等各种因素制约电压一般不可太高,能量密度实际上主要取决于介电质材料的 k 值。现有“高k”材料的k值在几百到几千(即×10²~10³),能量密度最高仅为锂电池的1%左右,这是其重大缺点。而所谓超级电容器,则利用具有超高等效 k 值的先进介电质或电解质形成双电层电容,甚至把电化学性质的“赝电容”也加持进去,等效 k 值可高达几万乃至几十万(×10⁴~10⁵), 能量密度最高可为锂电池的几分之一乃至相当。但可惜,人们至今尚未见到超级电容器对锂电池的颠覆性前景。

笔者近期从国家专利局网站了解到,一项名为《复相钛酸铷功能陶瓷材料及其制备方法》的授权中国发明专利,披露了一类新型巨介电质新材料以及基于其的巨电容技术,让人看到了电容器储能应用的新曙光。该专利发明了一类包含被称为 n-钛酸铷(Rb₂Tiₙ O₂ₙ₊₁)的复相钛酸铷功能陶瓷材料,在电学及电化学等方面具有远超现有技术水平的不寻常特性,如常温下高达 10⁹级的巨大 k 值伴随着相对低的介电损耗,以及优良的绝缘性伴随着 10ˉ³S/cm 级的离子电导率等。该类新材料为高能量密度的巨电容器提供了巨介电质解决方案,此外在全固态电池的固态电解质、记忆存储单元、电子器件等领域也有着巨大的应用潜力。

该类巨介电质材料的相对介电常数即 k 值,是现有先进水平介电质材料的几万到几十万倍,按电容器能量密度 D∝kV²的关系,意味着采用该类巨介电质的巨电容器,理论上的能量密度也会提高同样的倍数,即达到现有锂电池的成百上千倍!若巨电容器还沿袭了物理储能电容器寿命长(为锂电池的百~千倍)、充放电速率高(为锂电池的十~千倍) 、全固态及结构简单等优点,综合起来,其性能或性价比岂不将远超锂电池?颠覆锂电王朝的技术真的来了吗?

带着疑问和好奇心,笔者通过一些渠道尝试对该新技术做了进一步打探。

首先,利用该专利技术制备的新型固态功能材料样品,以及采用该材料制备的一些纽扣式巨电容器样品,早已送样至某国家级第三方权威检测机构进行了专业检测,该机构所出具的正式检测报告表明,样品的比电容量巨大,材料的介电常数即 k 值,在室温下确实达到了 10⁹级的国际领先水平。

此外信息来源还表明,该类巨介电质材料及巨电容器的研发工作在进一步快速推进,旨在于十四五期间实现产业化。目前的工作已初具如下特征:

① 体积和重量能量密度:器件样品实测值现已达锂电池的 5~10 倍或更高;

② 充放电速率: 为正常电容级,即充满、放完时间均可做到以秒或分钟计;

③ 循环寿命: 为正常电容级,充放电循环以万次计,确保使用寿命≥10 年;

④ 温度特性: 适用温度范围宽广,为-50℃~+120℃;

⑤ 安全性: 全固态器件,不存在易燃易爆物质;

⑥ 环保性: 无污染;

⑦ 经济性: 器件成本可控,不高于锂电池。

结语:

在下一代电能存储器件及系统开发方面,不仅有 LG,三星,宁德时代这样的电池企业,丰田、特斯拉、比亚迪这样的整车企业,还有各种跨行业、高科技、初创及投资类的公司纷纷加码进来。锂电池从上世纪 70 年代到今天,一路上也曾克服过很多技术和其他方面的挑战。而今,各种技术路线百家争鸣,可以预计它们的产业化路径不都会一帆风顺。未来的储能器世界,谁能颠覆锂电王朝?或许答案尚未明了,但基于巨介电质的巨电容器展现出的优异性能,让人似乎感受到了一种脱颖而出的巨大动能。

【《铁路无线电管理办法》详解】近年来,随着铁路事业的发展,尤其是高铁技术的快速发展,无线电频谱资源作为铁路行业的生产要素,在铁路通信、自动化、安全等领域发挥着越来越重要的作用。早期一些铁路无线电管理规定和工作机制随着铁路事业的发展变化与铁路管理机构的改革,已不适应当前的管理需要。为此,工业和信息化部、交通运输部联合颁布了《铁路无线电管理办法》(工业和信息化部 交通运输部第56号令)(以下简称《办法》),将于2021年10月1日起施行。现对《办法》进行详细解读。

一、制定《办法》的必要性

(一)制定《办法》是贯彻落实《中华人民共和国无线电管理条例》的需要

2016年颁布实施的《中华人民共和国无线电管理条例》(以下简称《条例》),明确了国家无线电管理机构和国务院有关部门的无线电管理机构之间的业务指导关系。国务院有关部门的无线电管理机构在国家无线电管理机构的业务指导下开展工作,其在无线电管理方面的具体工作要遵守《条例》的规定。国务院有关部门的无线电管理机构主要是指公安、民航、广播、铁路、渔业等部门为开展本系统(行业)无线电管理工作而设立的机构。国务院有关部门的无线电管理机构具体职责包括:贯彻执行国家无线电管理的方针、政策和法律、行政法规、规章;依照《条例》规定和国务院规定的部门职权,管理国家无线电管理机构分配给本系统(行业)使用的航空、水上无线电专用频率,规划本系统(行业)无线电台(站)的建设布局和台址,核发制式无线电台执照及电台识别码。

在无线电台(站)管理方面,《条例》明确由国务院有关部门的无线电管理机构核发船舶、航空器、铁路机车设置、使用的制式无线电台执照及电台识别码,并要求国家无线电管理机构会同国务院有关部门制定船舶、航空器、铁路机车设置、使用非制式无线电台的管理办法。为贯彻落实有关规定,进一步规范铁路无线电管理,保障铁路系统无线电业务安全,国家无线电管理机构会同交通运输部制定关于铁路无线电管理的部门规章,对铁路无线电频率使用和制式、非制式无线电台(站)设置、使用管理加以规范。

(二)制定《办法》是适应铁路无线电管理情况变化的需要

1994年,国家无线电管理委员会发布《加强国务院各部门无线电管理的若干规定》(国无管〔1994〕18号),明确了授权或委托国务院各部门无线电管理机构行使部分无线电管理职权等问题。随后,铁道部成立了无线电管理机构,负责铁路系统无线电管理工作。1996年,国家无线电管理委员会、铁道部联合发布《铁路无线电管理规则》,进一步明确了铁路各级无线电管理机构的职责等。后续,工业和信息化部、铁道部通过建立铁路无线电专用频率保护工作长效机制,大力支持铁路高速化、信息化建设,并加强对相关频率的保护性监测,切实保障铁路GSM-R、800MHz频段列车安全预警等频率的使用安全。

2013年3月,铁路系统实行政企分开改革,原铁道部拟定铁路发展规划和政策的行政职责划入交通运输部,新组建的国家铁路局由交通运输部管理,承担原铁道部的其他行政职责,部分铁路无线电管理和技术人员划入铁路运输企业。铁路系统改革后,铁路无线电频率管理者与使用者也从合一变为分开,铁路无线电应用点多线长,跨行政区域多,台站属地管理也存在一定问题。早期铁路无线电管理相关规章已不适应当前需求,需要通过制定《办法》,对铁路无线电频率和无线电台(站)相关许可的审查程序、职责分工、无线电监测和干扰查处机制等予以明确,进而提升铁路无线电管理的依法行政水平。

二、立法过程

2016年《条例》修订公布后,工业和信息化部就启动了《办法》的起草制定,主要开展了以下工作:

一是在组织相关机构开展铁路无线电管理机制课题研究并深入总结实践经验的基础上,组织国家无线电监测中心及湖南、辽宁、上海无线电管理机构,赴国家铁路局、中国铁路集团公司、中国铁道科学研究院、上海铁路监督管理局、中国铁路集团公司上海铁路局等单位开展铁路无线电管理工作情况调研,了解铁路当前建设运营及未来发展规划,在此基础上研究起草了《办法(初稿)》。

二是多次组织国家铁路局、中国铁路集团公司等单位就铁路无线电管理思路和机制进行座谈研讨,结合无线电频率使用,无线电台(站)设置、使用以及铁路无线电监测、干扰查处等实际业务需求,听取相关立法建议,修改完善《办法》。

三是根据《规章制定程序条例》相关要求,向社会公开征求意见,并多次征求国家铁路局、中国铁路集团公司、各省(区、市)无线电管理机构和国家无线电监测中心的意见,在综合各方面意见基础上,就《办法》内容于2020年9月和12月两次书面征求交通运输部意见,经协调达成一致意见。

2021年3月23日,工业和信息化部第4次部务会审议通过了《办法》,并经交通运输部联签同意,6月30日,两部门联合颁布出台了《办法》。

三、主要内容

《办法》进一步贯彻落实《条例》要求,依法依规加强铁路无线电频率使用和无线电台(站)设置、使用相关行政许可的审查、无线电监测和干扰查处等工作,明确了铁路相关无线电频率使用许可委托制度,无线电台(站)设置、使用审批分工制度以及建立完善无线电干扰查处机制等,有利于相关部门厘清权责、理顺关系,强化铁路无线电管理,保障铁路运行安全。主要规定了以下内容:

(一)明确铁路无线电管理职责分工

落实《条例》关于国务院有关部门的无线电管理机构职责的相关规定,《办法》明确由国家无线电管理机构委托国家铁路局实施相关无线电频率、无线电台(站)许可。

关于铁路无线电相关行政许可的实施,一是依授权实施许可。《条例》修订后,授权国务院有关部门的无线电管理机构履行相关职责,以自己的名义行使相关职权,并承担相应的法律责任。其中,在铁路机车上设置、使用制式无线电台,由国务院有关部门的无线电管理机构负责核发无线电台执照及电台识别码;关于非制式无线电台具体的管理要求,《条例》授权国家无线电管理机构、国务院有关部门共同制定相关的管理办法。二是依委托实施许可。《中华人民共和国行政许可法》第二十四条规定,行政机关在其法定职权范围内,依照法律、法规、规章的规定,可以委托其他行政机关实施行政许可。《办法》按照相关要求规定,部分无线电频率以及在铁路机车上设置、使用非制式无线电台的许可由国家无线电管理机构委托国家铁路局实施。根据《中华人民共和国行政许可法》的相关要求,国家无线电管理机构将另行发布委托国家铁路局实施行政许可的公告,详细列明委托行政许可的具体事项及相关内容。

(二)细化铁路无线电频率使用和管理规范

《办法》明确了国家无线电管理机构、国家铁路局和省级无线电管理机构的无线电频率使用许可审批管理权限。考虑到铁路无线电业务的特殊性,《办法》规定国家无线电管理机构委托国家铁路局对专门用于铁路运营指挥调度、列车运行控制等涉及铁路运营安全的无线电频率进行许可管理,这也符合当前国家深化行政审批制度改革、加强“放管服”等有关要求。《办法》对铁路无线电频率使用许可证载明事项、频率使用许可期限及续办、频率收回制度等内容进行了规定,要求铁路运输企业依法使用无线电频率,减少对铁路枢纽和相邻线路等区域的无线电干扰。

《办法》规定,国家铁路局根据委托实施许可的无线电频率的频率占用费,由国家铁路局收取并上缴国库。无线电频谱资源是属于国家所有的非传统自然资源,也是国家战略性稀缺资源;一方面,无线电频谱资源是航空、铁路、水上等国民经济重要行业赖以发展的基础资源;另一方面,无线电频谱资源的开发利用也带来巨大的经济效益。无线电频谱资源有偿使用制度是基于国家对战略性稀缺资源进行有效管理而产生和制定的,是国家开展无线电频谱资源管理工作的基本制度,是实现国有资源有效管理和提高无线电频谱利用效率的有效途径。依据《条例》规定,任何使用无线电频率的组织和个人都应当按照国家有关规定缴纳无线电频率占用费。

(三)明确无线电台(站)设置、使用审批分工

基于制式无线电台在使用性质上的特殊性,根据《条例》规定,《办法》明确国家铁路局对在铁路机车上设置、使用的制式无线电台(站)实施许可;在铁路机车上设置、使用的部分非制式无线电台(站),由国家无线电管理机构委托国家铁路局实施许可,其他无线电台(站)由无线电管理机构负责审批。为了便于掌握各类电台的使用情况,国家铁路局应当将制式无线电台执照及无线电台识别码核发情况定期通报国家无线电管理机构。

无线电台(站)是无线电管理的重要内容之一,设置有固定台址的无线电台(站),需要占用特定的物理空间(依托建筑物或独立设置),如果无线电台(站)或其周边建筑物设置不当,可能会导致区域内电磁环境恶化、通信效能下降,甚至对其他正在合法使用的无线电台(站)产生有害干扰。因此,台站建设布局既要遵守无线电管理相关规定,又要符合城乡建设规划。《办法》明确,国家铁路局牵头规划用于运营指挥调度、列车运行控制等涉及铁路运营安全的无线电台(站)的建设布局和台址,做好台站周边的电磁环境监测和保护工作。此外,由于无线电台(站)使用一定年限后设备会自然老化,可能会导致发射频率、发射功率、天线增益、天线高度等技术指标出现偏差,干扰其他正常使用的合法台(站)。《办法》要求无线电台(站)设置、使用人加强日常管理和维护,保证无线电台(站)性能指标符合国家无线电管理相关规定和铁路有关技术标准要求;必须对台(站)设施和设备进行合理的维护,保证其本身正常工作需要的同时,有效避免对其他合法无线电台(站)产生有害干扰。

(四)细化无线电发射设备管理规范

《办法》要求,研制铁路无线电发射设备使用的无线电频率应当符合国家无线电频率划分规定。我国无线电频率划分规定反映了当今世界无线电技术的发展趋势、无线电业务应用情况,反映了与国际频率划分的一致性及遵守国际电信联盟《无线电规则》的要求。只有严格按照我国无线电频率划分规定研制出的设备才具备投入使用的条件,才能确保在后续生产、销售、使用环节技术管理上的一致性,预防出现干扰。同时,按照我国无线电频率划分规定来研制无线电发射设备,可确保产品与国际主流无线电技术发展方向一致,便于我国无线电产品向国际推广,是保障我国相关产业可持续发展的重要基础。

无线电发射设备广泛应用于社会生活的各个领域,抓好无线电发射设备的管理,是从源头上防止和减少无线电干扰、维护电波秩序的重要手段。《办法》规定,销售需要取得型号核准的铁路无线电发射设备,应向省级无线电管理机构办理销售备案。除了免许可的微功率短距离无线电发射设备以外,在型号核准制度的基础上,加强对销售应当取得型号核准的无线电发射设备的单位或企业的管理,加大打击销售未经型号核准无线电发射设备的力度,避免和减少不合规、不合法的无线电发射设备流入市场。

《办法》明确,研制、生产、销售和维修大功率铁路无线电发射设备,应采取措施有效抑制电波发射,不得对依法设置、使用的无线电台(站)产生有害干扰。在研制、生产、销售和维修大功率无线电发射设备时,即使符合无线电频率划分规定,由于时域、空域以及发射方向和仰角等因素,无线电发射设备产生的电磁辐射也可能会对合法的无线电台(站)产生有害干扰,此种情况严重扰乱空中电波秩序,影响其他合法无线电设备的正常使用,应采取措施有效抑制电波发射,避免发生相关干扰。

(五)完善铁路无线电监测和干扰查处机制

《办法》要求分别在国家和省级层面建立铁路无线电频率保护工作机制,由无线电管理机构、铁路管理机构和有关铁路运输企业参加。在实际工作中,2010年,工业和信息化部、铁道部就建立了铁路无线电专用频率保护工作长效机制,部分省级无线电管理机构和地方铁路局也建立了相应工作机制,加强了对铁路无线电频率的保护,确保铁路运行安全畅通。随着无线电技术的快速发展和广泛应用,电磁环境日益复杂,无线电干扰时有发生,影响铁路无线电业务安全,加强铁路无线电监测和干扰查处工作十分重要。《条例》规定,国务院相关部门的无线电监测站负责对本系统(行业)的无线电信号实施监测,国务院有关部门应加强无线电监测设施建设,成立相应的监测机构,由其负责对本系统(行业)的无线电信号实施监测,确保无线电信号在频率、功率、使用目的等方面与频率许可、设台许可相一致,避免对其他合法无线电应用产生影响。同时,当本系统(行业)合法使用的无线电台(站)受到影响时,应具备初步监测的能力。

来源:人民邮电报

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