超级电容器：制造、应用及未来趋势

当前，储能系统在不同领域内扮演着越来越重要的角色，比较典型的领域如电动交通工具、电力系统等领域。在这种背景下，超级电容器作为一种储能技术，具有功率密度高、免维护、寿命长等优异性能成为学术界和产业界关注的热点。近几年来，超级电容器技术进步较快，尤其在学术界不断有新的技术突破见诸报道，在学术界支撑下，产业界在生产制造和应用端也取得了较大进展。

对此，储能联盟研究部对超级电容器研究现状和应用情况进行了追踪，并根据市场应用情况，对超级电容器未来发展趋势进行预测分析。

（来源：微信公众号“中关村储能产业技术联盟” ID：CNESA_ORG 作者：CNESA孟海星）

超级电容器的制造及应用

与传统的电化学储能技术相比，超级电容器具有高输出功率、快速响应、免维护、长寿命、较宽的工作温度等优点，可以满足多个领域要求，目前市场规模及应用领域在不断增长。本小节将从超级电容器生产制造、市场上典型产品特点介绍、并根据应用领域不同介绍超级电容器市场应用现状。

一、超级电容器生产制造基础知识

如前文所述，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、集流体等部分构成，电极的主要作用是存储能量，隔膜的主要作用是阻止电容器内部电子短路，集流体用于汇集电流并承载电极活性物质。对于超级电容器而言，电极活性物质在集流体表面的附着厚度以及相关工艺将极大的影响超级电容器的性能，是电容器制作的关键。

图1 两种不同外形的超级电容器示意图：

（a）圆柱形卷芯极组

（b）Maxwell圆柱形超级电容器

（c）Ioxus软包装超级电容器

大多数商业化的超级电容器呈圆柱形状，如图1（a）所示，该类超级电容器主要由两个附着在铝集流体活性物质的电极卷绕而成，其中隔膜位于两电极之间，防止形成电子短路，正负极输出端分别位于卷芯绕组的上下两端。当卷绕完成后，将制作好的卷芯绕组置于硬壳中，正负输出端与外壳相连，并注入电解质进行密封，以防杂质对电解质和活性物质造成污染。Maxwell作为全球顶级的超级电容器供应商，拥有最先进的超级电容器制造工艺，是目前全球为数不多的掌握了干法制作超级电容器电极工艺的厂家，基于该项技术于2019年上半年被知名电动车供应商Tesla收购。经过多年发展，公司圆柱形电容器直径已经实现标准化，产品直径为60mm，通过调节产品高度，以满足不同容量的要求。

圆柱形超级电容器生产自动化水平较高，产品制造成本较低，可以满足不同领域应用。这类超级电容器的主要缺点是散热性能较差，电容器在大功率充放电时，内部快速产生大量的热，无法及时通过较厚的电极层进行散热。尽管超级电容器的效率较高、功率损耗比例较低，但温度仍然是限制产品实现超高功率充放电的重要因素。

为了提升产品散热性能，Ioxs设计了另外一种超级电容器，外形如图1（c）所示，该类超级电容器为软包装超级电容器。产品制作工艺与软包装锂离子电池制作工艺类似，采用叠片工艺制作，极性相同的电极平行叠放并连接，通过铝塑膜实现产品密封。这类产品价格高于圆柱形产品的价格，因其具有优异的散热性能，适用于超高功率应用场景。

目前降低成本，是超级电容器开发的热点方向，主要通过低成本材料开发，新型低成本生产工艺研究等方向来降低产品成本。有研究认为，当材料成本下降90%时，超级电容器产品的价格将下降50%。当前一些新的生产工艺处于研究阶段，预计在未来几年内，超级电容器的生产工艺将出现较大突破，届时产品价格将进一步下降。

二、主流的超级电容器生产厂家及其产品

本节根据市场上超级电容器产品的公开信息，对不同产品供应商提供的产品进行分析。通过对比产品的相关参数，包括电容、电压、能量密度、功率密度、工作温度范围等参数分析产品竞性能，表2给出了全球范围内主流超级电容器供应商部分产品信息。

表2可知，表中的厂家都可以提供对称类超级电容器，只有韩国Vinatech公司和乌克兰Yunasko公司生产混合电极超级电容器，加拿大Nesscap 公司可以生产非对称超级电容器。侧面反应出对称电极超级电容器为超级电容最成熟产品，为大众类产品。多数生产厂家还可以提供由对称电极超级电容器单元串并联形成的标准模组，表2中同时也给出了这些标准模组技术参数。

除此之外，厂家还可以针对用户的需求生产制造出满足用户功率和能量要求的模组，同样这些定制化的模组也是通过超级电容器单体经过串并联制作而成。表中松下是唯一一家专注于生产超级电容器及纽扣式超级电容器厂家。

通过表中的技术参数能够有效的选择出满足于某一特定领域或场景需求的超级电容器。首先，表中数据显示，电容值范围分布较宽，电容的大小主要由电容器中电极的大小决定，相反额定电压的大小主要由生产技术决定，而不是由电极大小决定，提升电压是当前研究的热点，通过提升电压可以有效提升产品的能量密度，额定电压在一定程度上能够反应产品的性能。尽管表中数据给出的额定电压（2.3V-3V）范围较窄,但对能量密度影响较大，例如额定电压为3V的电容器具有较高的能量密度（7.5KWh/Kg）。与单体相比，标准模组的额定电压分布较广，模组是通过单体串并联形成的，每个生产厂家针对的领域不同，采取串并联策略也不尽相同，最终导致不同厂家生产的模组额定电压不同。

表中数据显示，超级电容器的能量密度和功率密度之间存在一定关联，功率密度较高的产品，往往能量密度较低。同时模块的能量密度和功率密度低于超级电容器单体的能量密度和功率密度，主要是由于产品在串并联时，会有新的部件引入，包括连接件、防护件等其它部件，占有一定质量，导致模组的能量密度和功率密度下降。比较不同技术类型的超级电容器能量密度，明显可以看出对称电极超级电容器最大的能量密度为7.5Wh/Kg,非对称电极电容器及混合电极电容器的能量密度分别为8.8Wh/Kg、37Wh/Kg。功率密度表现刚好相反，其中对称电极超级电容器的功率密度最高为41KW/Kg，非对称超级电容器及混合电容器分别为6.2KW/Kg、4KW/Kg。

与其它电化学储能技术相比，尤其是与锂离子电池、铅酸电池相比，超级电容器表现出较宽的工作温度范围，其中混合电极超级电容器工作温度范围为-25℃-60℃，尽管是工作温度范围最窄的一类超级电容器，也超过了传统锂离子电池、铅酸电池的工作温度范围。

三、超级电容器工程应用

1.交通运输领域内应用

超级电容器在轨道交通领域内应用较为成熟，可以通过实现电力牵引再生制动，并稳定接触网电压，节约电力能源，保障电力系统稳定供电。最早2001年及2003年分别在科隆和马德里由西门子使用Maxwell型号为1344超级电容器设计的轨道用存储系统SITRAS SES。另一个典型案例在宾夕法尼亚州南部，当地火车每天要经过上千次的制动与加速，这些过程持续时间为15s-20s之间，运输局安装了一个超级电容器储能系统，该系统通过检测接触网电压变化，进行充放电，每年可节省10%-20%的电力，并为系统提供800KW的快速响应，作为一项付费服务项目每年可带来20万美元的收益。

城市公共汽车是超级电容器另一个重要市场，公共汽车频繁启停这种运行条件，非常适合超级电容器应用。超级电容器在该领域内的应用主要是通过与电池储能系统联合或者超级电容器作为独立储能系统，所存储的能量能够维持车俩运行到下一站，并在下一站进行充电两种方式进行应用。

除了铁路系统以及公共交通领域，超级电容器在商用车中（燃料电池、混合动力、纯电动）应用也呈现增长趋势，典型的案例包括马自达i-ELOOP商用车，采用超级电容器回收刹车产生的制动能量，可节省10%燃料。此外超级电容器供应商IOXUS可以提供用于替代传统内燃机汽车启动电池的超级电容器。另外，超级电容器还用于标致e-HDI等微混混合动力电动车以及丰田强混动力电动汽车中。

当前，航天航空工业正向电动化方向发展，越来越多的电气装置被提出用于航天航空领域，如飞机应急电源。超级电容器可以作为高功率储能设备与ESS储能系统相结合，搭建混合ESS储能系统，满足设备高功率要求。

2.能源领域

超级电容器具有免维护、长寿命、高功率、能够满足极端气候要求等特点。对可再生能源等相关领域具有较大的吸引力。超级电容器在可再生能源系统中主要用途是用于风力发电涡轮机的变桨控制，根据Maxwell提供数据显示，20%-30%的风力发电配置了超级电容器变桨控制系统，30%-45%的风力发电机组配备了电池储能系统。

微电网通常配备可再生能源发电机，微电网并网在当前通常收到一定的限制，避免减少微电网对电网造成干扰。因此选择合适的ESS及其管理策略具有重要意义。超级电容器具有改善电池储能系统一些缺陷，提升电池放电功率等性能，可以联合电池储能系统用于微电网中。另外，超级电容器可用于独立的微电网，以提供高弹性、快速响应等服务。如在国外某大学微网系统由82Wh超级电容器储能系统与40KWh氢能发电系统构成，其中超级电容器储能系统由三个麦克斯韦尔BMOD0083型号的超级电容器构成。超级电容器可以帮助系统满足频率为几赫兹的电力需求。使系统具有更高的效率，并延长了燃料电池使用寿命。另外2013年在西班牙拉帕尔马小岛微电网中也配备了超级电容器储能系统，系统最大放电4MW，容量为5.5KWh;上海洋山深水港，港口23台起重机对电网冲击较大，为了降低起重机对电网的冲击，安装了一个3MW/17.2KWh的超级电容器储能系统，作为后备源，可以持续提供20s电力供应。

3.工业领域

工业领域内，超级电容器可以用于叉车、铲车、农业机械、采矿铲、港口起重机和工业激光器等设施。这些设施中，叉车的增长最快，叉车一般使用电池储能系统或者燃料电池系统为其提供动力，超级电容器储能系统可以作为辅助动力提供系统，支持系统实现较大功率放电，并在制动时回收相关能量。

2007年小松上市的叉车中安转了超级电容器储能系统；在港口起重机中，配备了超级电容器的起重机可以从制动和下降操作中回收能量，能够节约20%左右的燃料，同时超级电容器可以提供较大的放电功率，可以辅助发动机，大大降低发动机功率；挖掘机作为大型机械设备，需要较高的输出功率，超级电容器与柴油机联合，可以支持设备提供更高的输出功率。2007年小松推出一款型号为PC2008挖掘机，柴油机为挖掘机提供主要动力，设备上部转盘使用了电机，与超级电容器相连，超级电容器为转盘提供能源支持，并在减速制动时回收相关能量，实际使用中因转盘使用频率较高，可节省41%的燃油；2012年卡特彼勒推出一款液压混合动力系统挖掘机，型号为Cat R 6120B H FS，设备中超级电容器储能系统可以从驾驶室转动减速及自动臂的下降过程中回收能量，产品说明中介绍超级电容器系统可以节约25%的燃油。

4. 电子产品领域

消费电子产品与上述应用领域不同，对超级电容器的要求，其中对超级电容器产品的体积尤为敏感。消费类电子产品市场呈现多样化，归纳总结，超级电容器在这些产品中的用途主要可以分为4类：

（1）存储器中适时储存备用电源，主要用于固态硬盘中；

（2）主电源故障后备份电源；

（3）超级电容器替代电池作为储能系统，典型的包括手电筒用电源以及太阳能搜集系统；

（4）在高负载系统中做主能源系统辅助供能系统，2013年意法半导体推出集成摄像机控制系统中使用了超级电容器。

超级电容器的发展趋势

通过超级电容器的市场应用分析可知，当前超级电容器受限于能量密度较低，主要作为辅助动力源应用，而作为主动力源应用较少。超级电容器市场应用领域想要取得较大的突破，依赖于未来超级电容器技术的不断突破，根据文章分析认为超级电容器发展趋势有以下几方面：

（1）低成本、高能量密度，未来超级电容器作为设备或系统的主要动力源，高能量密度及低成本是必由之路；

（2）超高功率密度、低维护成本、长寿命。超级电容器向更高功率密度、免维护、长寿命发展将在一定程度上可以弥补产品能量密度较低的短板，能够在某些特殊领域中进一步扩大市场占有率，有机体系超级电容器有望率先实现超高功率突破；

（3）超级电容器在不同应用领域中的老化机理研究以及超级电容器储能系统控制策略研究，将是超级电容器另一研究热点，有助于优化超级电容器储能系统设计，最大限度降低系统设计时给使用过程中带来不利因素。

如果以上几方面技术出现较大突破，那么超级电容器与电池储能相比将在功率密度、维护成本、使用寿命及环境适应性方面具有较大优势，将会成为电气、电力、电子等行业储能系统的理想选择。