當(dāng)前，儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同領(lǐng)域內(nèi)扮演著越來(lái)越重要的角色，比較典型的領(lǐng)域如電動(dòng)交通工具、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。在這種背景下，超級(jí)電容器作為一種儲(chǔ)能技術(shù)，具有功率密度高、免維護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。近幾年來(lái)，超級(jí)電容器技術(shù)進(jìn)步較快，尤其在學(xué)術(shù)界不斷有新的技術(shù)突破見(jiàn)諸報(bào)道，在學(xué)術(shù)界支撐下，產(chǎn)業(yè)界在生產(chǎn)制造和應(yīng)用端也取得了較大進(jìn)展。

對(duì)此，儲(chǔ)能聯(lián)盟研究部對(duì)超級(jí)電容器研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了追蹤，并根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)超級(jí)電容器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟” ID：CNESA_ORG 作者：CNESA孟海星）

超級(jí)電容器的制造及應(yīng)用

與傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比，超級(jí)電容器具有高輸出功率、快速響應(yīng)、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、較寬的工作溫度等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足多個(gè)領(lǐng)域要求，目前市場(chǎng)規(guī)模及應(yīng)用領(lǐng)域在不斷增長(zhǎng)。本小節(jié)將從超級(jí)電容器生產(chǎn)制造、市場(chǎng)上典型產(chǎn)品特點(diǎn)介紹、并根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同介紹超級(jí)電容器市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀。

一、超級(jí)電容器生產(chǎn)制造基礎(chǔ)知識(shí)

如前文所述，超級(jí)電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、集流體等部分構(gòu)成，電極的主要作用是存儲(chǔ)能量，隔膜的主要作用是阻止電容器內(nèi)部電子短路，集流體用于匯集電流并承載電極活性物質(zhì)。對(duì)于超級(jí)電容器而言，電極活性物質(zhì)在集流體表面的附著厚度以及相關(guān)工藝將極大的影響超級(jí)電容器的性能，是電容器制作的關(guān)鍵。

圖1 兩種不同外形的超級(jí)電容器示意圖：

（a）圓柱形卷芯極組

（b）Maxwell圓柱形超級(jí)電容器

（c）Ioxus軟包裝超級(jí)電容器

大多數(shù)商業(yè)化的超級(jí)電容器呈圓柱形狀，如圖1（a）所示，該類(lèi)超級(jí)電容器主要由兩個(gè)附著在鋁集流體活性物質(zhì)的電極卷繞而成，其中隔膜位于兩電極之間，防止形成電子短路，正負(fù)極輸出端分別位于卷芯繞組的上下兩端。當(dāng)卷繞完成后，將制作好的卷芯繞組置于硬殼中，正負(fù)輸出端與外殼相連，并注入電解質(zhì)進(jìn)行密封，以防雜質(zhì)對(duì)電解質(zhì)和活性物質(zhì)造成污染。Maxwell作為全球頂級(jí)的超級(jí)電容器供應(yīng)商，擁有最先進(jìn)的超級(jí)電容器制造工藝，是目前全球?yàn)閿?shù)不多的掌握了干法制作超級(jí)電容器電極工藝的廠家，基于該項(xiàng)技術(shù)于2019年上半年被知名電動(dòng)車(chē)供應(yīng)商Tesla收購(gòu)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，公司圓柱形電容器直徑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品直徑為60mm，通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)品高度，以滿足不同容量的要求。

圓柱形超級(jí)電容器生產(chǎn)自動(dòng)化水平較高，產(chǎn)品制造成本較低，可以滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用。這類(lèi)超級(jí)電容器的主要缺點(diǎn)是散熱性能較差，電容器在大功率充放電時(shí)，內(nèi)部快速產(chǎn)生大量的熱，無(wú)法及時(shí)通過(guò)較厚的電極層進(jìn)行散熱。盡管超級(jí)電容器的效率較高、功率損耗比例較低，但溫度仍然是限制產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)超高功率充放電的重要因素。

為了提升產(chǎn)品散熱性能，Ioxs設(shè)計(jì)了另外一種超級(jí)電容器，外形如圖1（c）所示，該類(lèi)超級(jí)電容器為軟包裝超級(jí)電容器。產(chǎn)品制作工藝與軟包裝鋰離子電池制作工藝類(lèi)似，采用疊片工藝制作，極性相同的電極平行疊放并連接，通過(guò)鋁塑膜實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品密封。這類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格高于圓柱形產(chǎn)品的價(jià)格，因其具有優(yōu)異的散熱性能，適用于超高功率應(yīng)用場(chǎng)景。

目前降低成本，是超級(jí)電容器開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)方向，主要通過(guò)低成本材料開(kāi)發(fā)，新型低成本生產(chǎn)工藝研究等方向來(lái)降低產(chǎn)品成本。有研究認(rèn)為，當(dāng)材料成本下降90%時(shí)，超級(jí)電容器產(chǎn)品的價(jià)格將下降50%。當(dāng)前一些新的生產(chǎn)工藝處于研究階段，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，超級(jí)電容器的生產(chǎn)工藝將出現(xiàn)較大突破，屆時(shí)產(chǎn)品價(jià)格將進(jìn)一步下降。

二、主流的超級(jí)電容器生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品

本節(jié)根據(jù)市場(chǎng)上超級(jí)電容器產(chǎn)品的公開(kāi)信息，對(duì)不同產(chǎn)品供應(yīng)商提供的產(chǎn)品進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)，包括電容、電壓、能量密度、功率密度、工作溫度范圍等參數(shù)分析產(chǎn)品競(jìng)性能，表2給出了全球范圍內(nèi)主流超級(jí)電容器供應(yīng)商部分產(chǎn)品信息。

表2可知，表中的廠家都可以提供對(duì)稱(chēng)類(lèi)超級(jí)電容器，只有韓國(guó)Vinatech公司和烏克蘭Yunasko公司生產(chǎn)混合電極超級(jí)電容器，加拿大Nesscap 公司可以生產(chǎn)非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。側(cè)面反應(yīng)出對(duì)稱(chēng)電極超級(jí)電容器為超級(jí)電容最成熟產(chǎn)品，為大眾類(lèi)產(chǎn)品。多數(shù)生產(chǎn)廠家還可以提供由對(duì)稱(chēng)電極超級(jí)電容器單元串并聯(lián)形成的標(biāo)準(zhǔn)模組，表2中同時(shí)也給出了這些標(biāo)準(zhǔn)模組技術(shù)參數(shù)。

除此之外，廠家還可以針對(duì)用戶的需求生產(chǎn)制造出滿足用戶功率和能量要求的模組，同樣這些定制化的模組也是通過(guò)超級(jí)電容器單體經(jīng)過(guò)串并聯(lián)制作而成。表中松下是唯一一家專(zhuān)注于生產(chǎn)超級(jí)電容器及紐扣式超級(jí)電容器廠家。

通過(guò)表中的技術(shù)參數(shù)能夠有效的選擇出滿足于某一特定領(lǐng)域或場(chǎng)景需求的超級(jí)電容器。首先，表中數(shù)據(jù)顯示，電容值范圍分布較寬，電容的大小主要由電容器中電極的大小決定，相反額定電壓的大小主要由生產(chǎn)技術(shù)決定，而不是由電極大小決定，提升電壓是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，通過(guò)提升電壓可以有效提升產(chǎn)品的能量密度，額定電壓在一定程度上能夠反應(yīng)產(chǎn)品的性能。盡管表中數(shù)據(jù)給出的額定電壓（2.3V-3V）范圍較窄,但對(duì)能量密度影響較大，例如額定電壓為3V的電容器具有較高的能量密度（7.5KWh/Kg）。與單體相比，標(biāo)準(zhǔn)模組的額定電壓分布較廣，模組是通過(guò)單體串并聯(lián)形成的，每個(gè)生產(chǎn)廠家針對(duì)的領(lǐng)域不同，采取串并聯(lián)策略也不盡相同，最終導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的模組額定電壓不同。

表中數(shù)據(jù)顯示，超級(jí)電容器的能量密度和功率密度之間存在一定關(guān)聯(lián)，功率密度較高的產(chǎn)品，往往能量密度較低。同時(shí)模塊的能量密度和功率密度低于超級(jí)電容器單體的能量密度和功率密度，主要是由于產(chǎn)品在串并聯(lián)時(shí)，會(huì)有新的部件引入，包括連接件、防護(hù)件等其它部件，占有一定質(zhì)量，導(dǎo)致模組的能量密度和功率密度下降。比較不同技術(shù)類(lèi)型的超級(jí)電容器能量密度，明顯可以看出對(duì)稱(chēng)電極超級(jí)電容器最大的能量密度為7.5Wh/Kg,非對(duì)稱(chēng)電極電容器及混合電極電容器的能量密度分別為8.8Wh/Kg、37Wh/Kg。功率密度表現(xiàn)剛好相反，其中對(duì)稱(chēng)電極超級(jí)電容器的功率密度最高為41KW/Kg，非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器及混合電容器分別為6.2KW/Kg、4KW/Kg。

與其它電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比，尤其是與鋰離子電池、鉛酸電池相比，超級(jí)電容器表現(xiàn)出較寬的工作溫度范圍，其中混合電極超級(jí)電容器工作溫度范圍為-25℃-60℃，盡管是工作溫度范圍最窄的一類(lèi)超級(jí)電容器，也超過(guò)了傳統(tǒng)鋰離子電池、鉛酸電池的工作溫度范圍。

三、超級(jí)電容器工程應(yīng)用

1.交通運(yùn)輸領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用

超級(jí)電容器在軌道交通領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較為成熟，可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)電力牽引再生制動(dòng)，并穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓，節(jié)約電力能源，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定供電。最早2001年及2003年分別在科隆和馬德里由西門(mén)子使用Maxwell型號(hào)為1344超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的軌道用存儲(chǔ)系統(tǒng)SITRAS SES。另一個(gè)典型案例在賓夕法尼亞州南部，當(dāng)?shù)鼗疖?chē)每天要經(jīng)過(guò)上千次的制動(dòng)與加速，這些過(guò)程持續(xù)時(shí)間為15s-20s之間，運(yùn)輸局安裝了一個(gè)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)接觸網(wǎng)電壓變化，進(jìn)行充放電，每年可節(jié)省10%-20%的電力，并為系統(tǒng)提供800KW的快速響應(yīng)，作為一項(xiàng)付費(fèi)服務(wù)項(xiàng)目每年可帶來(lái)20萬(wàn)美元的收益。

城市公共汽車(chē)是超級(jí)電容器另一個(gè)重要市場(chǎng)，公共汽車(chē)頻繁啟停這種運(yùn)行條件，非常適合超級(jí)電容器應(yīng)用。超級(jí)電容器在該領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用主要是通過(guò)與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合或者超級(jí)電容器作為獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)，所存儲(chǔ)的能量能夠維持車(chē)倆運(yùn)行到下一站，并在下一站進(jìn)行充電兩種方式進(jìn)行應(yīng)用。

除了鐵路系統(tǒng)以及公共交通領(lǐng)域，超級(jí)電容器在商用車(chē)中（燃料電池、混合動(dòng)力、純電動(dòng)）應(yīng)用也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，典型的案例包括馬自達(dá)i-ELOOP商用車(chē)，采用超級(jí)電容器回收剎車(chē)產(chǎn)生的制動(dòng)能量，可節(jié)省10%燃料。此外超級(jí)電容器供應(yīng)商IOXUS可以提供用于替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)啟動(dòng)電池的超級(jí)電容器。另外，超級(jí)電容器還用于標(biāo)致e-HDI等微混混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)以及豐田強(qiáng)混動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中。

當(dāng)前，航天特種工業(yè)正向電動(dòng)化方向發(fā)展，越來(lái)越多的電氣裝置被提出用于航天特種領(lǐng)域，如飛機(jī)應(yīng)急電源。超級(jí)電容器可以作為高功率儲(chǔ)能設(shè)備與ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，搭建混合ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)，滿足設(shè)備高功率要求。

2.能源領(lǐng)域

超級(jí)電容器具有免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、高功率、能夠滿足極端氣候要求等特點(diǎn)。對(duì)可再生能源等相關(guān)領(lǐng)域具有較大的吸引力。超級(jí)電容器在可再生能源系統(tǒng)中主要用途是用于風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)的變槳控制，根據(jù)Maxwell提供數(shù)據(jù)顯示，20%-30%的風(fēng)力發(fā)電配置了超級(jí)電容器變槳控制系統(tǒng)，30%-45%的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配備了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

微電網(wǎng)通常配備可再生能源發(fā)電機(jī)，微電網(wǎng)并網(wǎng)在當(dāng)前通常收到一定的限制，避免減少微電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成干擾。因此選擇合適的ESS及其管理策略具有重要意義。超級(jí)電容器具有改善電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一些缺陷，提升電池放電功率等性能，可以聯(lián)合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于微電網(wǎng)中。另外，超級(jí)電容器可用于獨(dú)立的微電網(wǎng)，以提供高彈性、快速響應(yīng)等服務(wù)。如在國(guó)外某大學(xué)微網(wǎng)系統(tǒng)由82Wh超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)與40KWh氫能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成，其中超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)由三個(gè)麥克斯韋爾BMOD0083型號(hào)的超級(jí)電容器構(gòu)成。超級(jí)電容器可以幫助系統(tǒng)滿足頻率為幾赫茲的電力需求。使系統(tǒng)具有更高的效率，并延長(zhǎng)了燃料電池使用壽命。另外2013年在西班牙拉帕爾馬小島微電網(wǎng)中也配備了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)最大放電4MW，容量為5.5KWh;上海洋山深水港，港口23臺(tái)起重機(jī)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，為了降低起重機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，安裝了一個(gè)3MW/17.2KWh的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，作為后備源，可以持續(xù)提供20s電力供應(yīng)。

3.工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，超級(jí)電容器可以用于叉車(chē)、鏟車(chē)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、采礦鏟、港口起重機(jī)和工業(yè)激光器等設(shè)施。這些設(shè)施中，叉車(chē)的增長(zhǎng)最快，叉車(chē)一般使用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或者燃料電池系統(tǒng)為其提供動(dòng)力，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為輔助動(dòng)力提供系統(tǒng)，支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較大功率放電，并在制動(dòng)時(shí)回收相關(guān)能量。

2007年小松上市的叉車(chē)中安轉(zhuǎn)了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)；在港口起重機(jī)中，配備了超級(jí)電容器的起重機(jī)可以從制動(dòng)和下降操作中回收能量，能夠節(jié)約20%左右的燃料，同時(shí)超級(jí)電容器可以提供較大的放電功率，可以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率；挖掘機(jī)作為大型機(jī)械設(shè)備，需要較高的輸出功率，超級(jí)電容器與柴油機(jī)聯(lián)合，可以支持設(shè)備提供更高的輸出功率。2007年小松推出一款型號(hào)為PC2008挖掘機(jī)，柴油機(jī)為挖掘機(jī)提供主要?jiǎng)恿?，設(shè)備上部轉(zhuǎn)盤(pán)使用了電機(jī)，與超級(jí)電容器相連，超級(jí)電容器為轉(zhuǎn)盤(pán)提供能源支持，并在減速制動(dòng)時(shí)回收相關(guān)能量，實(shí)際使用中因轉(zhuǎn)盤(pán)使用頻率較高，可節(jié)省41%的燃油；2012年卡特彼勒推出一款液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)挖掘機(jī)，型號(hào)為Cat R 6120B H FS，設(shè)備中超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以從駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)減速及自動(dòng)臂的下降過(guò)程中回收能量，產(chǎn)品說(shuō)明中介紹超級(jí)電容器系統(tǒng)可以節(jié)約25%的燃油。

4. 電子產(chǎn)品領(lǐng)域

消費(fèi)電子產(chǎn)品與上述應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)超級(jí)電容器的要求，其中對(duì)超級(jí)電容器產(chǎn)品的體積尤為敏感。消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)呈現(xiàn)多樣化，歸納總結(jié)，超級(jí)電容器在這些產(chǎn)品中的用途主要可以分為4類(lèi)：

（1）存儲(chǔ)器中適時(shí)儲(chǔ)存?zhèn)溆秒娫?，主要用于固態(tài)硬盤(pán)中；

（2）主電源故障后備份電源；

（3）超級(jí)電容器替代電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，典型的包括手電筒用電源以及太陽(yáng)能搜集系統(tǒng)；

（4）在高負(fù)載系統(tǒng)中做主能源系統(tǒng)輔助供能系統(tǒng)，2013年意法半導(dǎo)體推出集成攝像機(jī)控制系統(tǒng)中使用了超級(jí)電容器。

超級(jí)電容器的發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)超級(jí)電容器的市場(chǎng)應(yīng)用分析可知，當(dāng)前超級(jí)電容器受限于能量密度較低，主要作為輔助動(dòng)力源應(yīng)用，而作為主動(dòng)力源應(yīng)用較少。超級(jí)電容器市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域想要取得較大的突破，依賴(lài)于未來(lái)超級(jí)電容器技術(shù)的不斷突破，根據(jù)文章分析認(rèn)為超級(jí)電容器發(fā)展趨勢(shì)有以下幾方面：

（1）低成本、高能量密度，未來(lái)超級(jí)電容器作為設(shè)備或系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ矗吣芰棵芏燃暗统杀臼潜赜芍罚?/p>

（2）超高功率密度、低維護(hù)成本、長(zhǎng)壽命。超級(jí)電容器向更高功率密度、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命發(fā)展將在一定程度上可以彌補(bǔ)產(chǎn)品能量密度較低的短板，能夠在某些特殊領(lǐng)域中進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，有機(jī)體系超級(jí)電容器有望率先實(shí)現(xiàn)超高功率突破；

（3）超級(jí)電容器在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的老化機(jī)理研究以及超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略研究，將是超級(jí)電容器另一研究熱點(diǎn)，有助于優(yōu)化超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最大限度降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)給使用過(guò)程中帶來(lái)不利因素。

如果以上幾方面技術(shù)出現(xiàn)較大突破，那么超級(jí)電容器與電池儲(chǔ)能相比將在功率密度、維護(hù)成本、使用壽命及環(huán)境適應(yīng)性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為電氣、電力、電子等行業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想選擇。

原標(biāo)題:超級(jí)電容器：制造、應(yīng)用及未來(lái)趨勢(shì)