标签： 超级电容器

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超级电容器又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容、法拉电容、电化学电容器或双电层电容器（英文名称为EDLC，即Electric Double Layer Capacitors），是靠极化电解液来储存电能的新型电化学装置。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件，其批量生产不过几年时间。

    超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通讯、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。

    超级电容器工作机理与潜在优势

    超级电容之所以有巨大的电容量，是由于电容是以将电荷分割开来的方式储存能量的。储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容量越大。超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值小于10埃。巨大的表面积加上电荷之间非常小的距离，使得超级电容有很大的电容量。一个超级电容单位的电容值，可以从一法拉至几千法拉。

    超级电容作为一种新型储能装置，具有超级储电能力。在储能机理上，它是高度可逆的，寿命很长，可以千万次反复地冲、放电，而且具有很大的电流，此外具有很宽的电压范围和工作温度范围。它兼具传统电容器的大电流快速充放电特性与电池的储能特性，填补了普通电容器与电池之间的比能量与比功率空白，其放电比功率较蓄电池高近十倍，弥补了铝电解电容和可充电电池之间的技术缺口，同时又克服了两者的缺陷，既具有电池的能量贮存特性，又具有电容器的功率特性，它比传统电解电容器的能量密度高上千倍，可达1000W/kg数量级，而漏电流小数千倍。具有高至数千法拉甚至上万法拉的超大电容量，储电能量大、时间长；能够瞬间释放数百至数千安培电流，大电流放电甚至短路也不会对其有任何影响；可充放电10万次以上而不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上。可用于以极大电流瞬间放电的工作状态，而不易产生发热着火等现象；且充电时间很短，可在几秒之内完成，是一种理想的大功率二次电源。它可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。具有安全可靠、适用范围宽、绿色环保、易维护等特点，是改善和解决电能动力应用的突破性元器件。

    超级电容电阻很小：采取特别工艺措施，保证其ESR（等效串联电阻）远远小于其它电容的ESR。具有动力储存性能的超级电容很小的ESR，意味着高速率充放电情况下有很大的功率储存能力。

    超级电容寿命超长：超级电容可以有成千上万次冲放电循环，而蓄电池只有几百次循环。超级电容可以频繁地释放能量脉冲而不会有有害的后果，但蓄电池如果频繁地释放能量脉冲就会降低寿命。

    超级电容安全可靠：在其额定电压范围内可以任意充电至任意电压值，而放电时可以放出所储存的全部能量，失效开路，过电压不击穿，安全可靠。

    超级电容储能巨大：与同样大小的传统电容相比，超级电容所储存的电能远远大于传统电容所储存的电能。

    超级电容充电快速：可以快速充电和大电流充电，10秒钟内达到额定容量的95%；充电时间短；充放电能力强；对充放电电路要求简单。

新材料催生高端新产品

    从结构上看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。

    2007年1月16日，美国得州一家研制电动汽车储能装置，名为EEStor的公司打破沉默，对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化，纯度达到了99.9994%。

    这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。

    人们最初怀疑EEStor公司这一扬言的可信度，但现在看来，他们还真不太像是在“吹牛”。

    按照2006年4月发表的专利，EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在5分钟内充的电能可以让一个电动车走500英里，电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元。

    与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电，换句话说，超级电容器没有“记忆”。但是，一般的超级电容器也有其弱点，就是能量存储率有限，今天市场上的高端超级电容器每磅的存储能量只有锂电池的1/25。

    而EEStor开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是0.12千瓦时，铅酸电池只有0.032千瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。

    好的铅酸电池能充电500～700次，而根据EEStor的声明，新的超级电容器可反复充电100万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险，没有安全隐患。

    早在2004年5月，EEStor公司就声称，他们已经制造出一种每千瓦时的成本价格是铅酸电池的一半、能量储存率是铅酸电池10倍的超级电容器。这种产品重约336磅(153公斤)，可以储存52千瓦时的能量，这种系统将戏剧性地从能量密度、价格到充电时间和安全性上都超过目前市场的锂电池。这种技术是以钡钛酸盐为电介质的一个基本平行板电容器，制造这种陶瓷电池-超级电容器技术系统不需要有毒材料和化学物质。

    EEStor的雄心来自其“替代电气化学电池”的专利。EEStor在2004年就开始计划建造自己的装配线，进而获得批量生产的技术许可。从他们的计划看，其装置在生产成本上也有可能比传统锂电池更具有优势。

    有评论说，这一发明的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能，增进了电网的效率和稳定性，满足人们能源安全的需求，减少对石油的依赖。

    显然，该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示，他们的技术不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代300马力的大型汽车。

国内外研发态势

     在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位，如美国的Maxwell，日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。国外主要的生产企业有：美国的MAXWELL公司，俄罗斯的ECOND公司、ELIT公司，日本的ELNA公司、PANASONIC公司、NEC-TOKIN公司，韩国的NESS公司、KORCHIP公司、NUINTEK公司等。

    美国、日本、韩国等国家一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器。在超级电容器的研究中，许多工作都是开发在各种电解液中有较高比能量的电极材料。目前应用于超级电容器的材料主要有碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料三种。

     国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。它们均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。

    俄罗斯的ESMA公司是生产无机混合型超级电容器的代表，然而，ESMA公司目前还没有形成规模生产能力。此外，俄罗斯的ELIT公司、法国的SAFT公司、美国的COOPER公司、日本的NEC公司和松下公司也投入巨大资金对大容量超级电容器进行规模化生产的研究。

    国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。      

   上海奥威科技开发有限公司开发的“车用超级电容器”，在技术水平上较为先进。具有以下特性：

   ①高功率密度。超级电容器的放电电流可以达到数百安培，在大电流应用场合，特别是高能脉冲环境，可更好地满足功率要求。

    ②充放电时间短、效率高。超级电容器可在很短的时间内完成一个充放电循环，远远低于可充电电池，这可以很好地满足电动车的启动、加速、爬坡、能量回收的要求。

    ③使用寿命长、维护少。超级电容器的循环使用寿命可达10万次以上，比目前最好的电池要高出100倍，同时在使用过程中不需要经常性维护。

    ④适用温度范围宽。可在-40～60℃范围内使用，可满足车辆动力系统在低温环境下的启动。

    ⑤清洁环保，无二次污染。超级电容器所使用的材料，无毒、无重金属物质，使用过程和使用后不会对环境造成污染。

    2007年，全球钮扣型超级电容器产业规模为10.2亿美元，卷绕型和大型超级电容器产业规模为34.8亿美元，超级电容器产业总规模为45亿美元，同比增长45%；预计2008年全球钮扣型超级电容器产业规模为15.3亿美元，卷绕型和大型超级电容器产业规模为52.2亿美元，超级电容器产业总规模为67.5亿美元，同比增长50%。

    近年来，由于看好这一领域广阔的应用前景，中国一些公司也开始积极涉足这一产业，并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。

     目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产钮扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。据称，国产超级电容器已占有中国市场60%-70%的份额。

    应用需求及市场前景广阔无限

    由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点，有希望成为本世纪新型的绿色能源。超级电容器可广泛应用于机动车启动、电动工具、太阳能发电、电厂峰谷平衡、国防等领域，市场日趋扩大。尤其是集成多种应用功能于一体的便携式消费电子产品，对电池电量的要求越来越高，这就为超级电容器带来了巨大商机。超级电容器在太阳能产品、电动玩具、燃气表和电动汽车等领域也具有广阔的应用空间。

    业内专家预测，目前中国市场的年需求量可达2150万只，约1.2亿瓦时，且每年都在以约50%的速度增长；整个亚太地区的年需求量超过9000万只，约5.4亿瓦时，增长速度约为90%；全球的年需求量约为2亿只，约12亿瓦时，增长速度约为160%。由此可知，市场前景非常广阔。美国市场研究公司Frost & Sullivan发布的一份报告预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%和49%的年复合增长率保持高速增长。目前，超级电容器占世界能量储存装置（包括电池、电容器）的市场份额不足1%，在我国所占市场份额约为0.5%，因此超级电容器存在着巨大的市场潜力。

    正因为超级电容器具有大容量、高功率密度、充放电能力强、长循环寿命、可超低温工作、无污染等许多显著优势，在汽车(特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆)、电力、铁路、通讯、国防、消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力，因而被世界各国所广泛关注。