中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
銀行匯款
電容器，顧名思義是一種能夠將電能儲存在電場(chǎng)中的電子元器件，這種產(chǎn)品幾乎存在于所有的電子設備中。但普通的電容器如何才能做到儲存更多的電能呢，為此開(kāi)發(fā)者們做了許多努力，比如更換不同的電介質(zhì)，或將電容做成堆疊的薄片等，但都無(wú)法讓電容器的電容值實(shí)現量級上的突破。
而超級電容器的出現，不僅解決了電容值的問(wèn)題，甚至有望推動(dòng)儲能的技術(shù)發(fā)展。
超級電容器的發(fā)展
所謂超級電容器，就是一種介于傳統電容器和電池之間的電化學(xué)儲能裝置。它具有比傳統電容器更高的能量密度，同時(shí)又能像電容器一樣快速充放電，并且循環(huán)壽命長(cháng)、功率密度高。
超級電容的正負極材料主要為活性炭，其燃點(diǎn)高達350℃，燃燒速度較慢。并且活性炭密封在超級電容單體內部，讓其安全性進(jìn)一步提升。
超級電容器通常有雙電層電容和法拉第準兩種工作原理。在雙層電容下，當電極浸泡在電解液中時(shí)，在電極和電解液的界面會(huì )形成雙電層。
以活性炭為例，其豐富的孔隙結構提供了巨大的表面積。在充電時(shí)，電解液中的陽(yáng)離子會(huì )向帶負電的電極表面聚集，而陰離子會(huì )向帶正電的電極表面聚集，這些離子在電極表面附近形成緊密的電荷層，就像電容器的兩個(gè)極板一樣儲存電荷。這種電荷的存儲是基于靜電吸附作用，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應。而放電過(guò)程則是相反的，離子離開(kāi)電極表面，使得存儲的電荷釋放出來(lái)，為外部電路提供電能。
法拉第準電容下，有些超級電容器的電極材料（如金屬氧化物、導電聚合物等）在充放電過(guò)程中會(huì )發(fā)生快速可逆的氧化還原反應。
比如，對于氧化釕（RuO?）電極材料，在充電時(shí)，RuO?表面會(huì )發(fā)生反應：RuO? + H?O + e?→RuOOH+OH?，電子的轉移使得電荷存儲在電極材料中。放電時(shí)，反應逆向進(jìn)行，釋放出存儲的電子，從而為外部電路提供電能。這種基于氧化還原反應的電荷存儲方式，使得超級電容器的電容值比單純基于雙電層電容的要高，進(jìn)一步增加了其儲能能力。
在18世紀中葉，荷蘭萊頓大學(xué)馬森布羅克與德國馮?克萊斯特研制出萊頓瓶，被公認為是所有電容器的原型。1879年，亥姆霍茨發(fā)現界面雙電層現象，并提出了雙電層理論，為超級電容器的發(fā)展奠定了理論基礎。
1969年，Sohio公司首先實(shí)現了碳材料電化學(xué)電容器的商業(yè)化。1979年，日本NEC公司開(kāi)始生產(chǎn)超級電容器，次年的1980年，NEC/Tokin公司與松下三菱公司率先實(shí)現超級電容器的商業(yè)化生產(chǎn)。
2007年1月，美國《探索》雜志將超級電容器列為 2006 年世界七大科技發(fā)現之一，認為超級電容器是能量?jì)Υ骖I(lǐng)域的一項革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統蓄電池。
近年來(lái)，隨著(zhù)納米技術(shù)、材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，超級電容器的性能得到了顯著(zhù)提升。新型電極材料如石墨烯、碳納米管等的應用，使得超級電容器的能量密度和功率密度有了較大提高。未來(lái)有望實(shí)現更高的能量密度、更低的成本和更長(cháng)的使用壽命，從而在能源存儲市場(chǎng)中占據更重要的地位。
儲能市場(chǎng)中的超級電容器
近年來(lái)，隨著(zhù)新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)等下游應用領(lǐng)域的需求推動(dòng)，超級電容器市場(chǎng)規模呈現快速增長(cháng)態(tài)勢。2023年全球超級電容器市場(chǎng)規模約21億美元，中國市場(chǎng)規模約30.5億元，且預計未來(lái)仍將保持較高的增長(cháng)率。
而超級電容器在儲能市場(chǎng)中有著(zhù)巨大的發(fā)展潛力，一個(gè)是可以替代許多傳統電池的工作。如今的電動(dòng)汽車(chē)，大多采用可充電鋰電池，充電速度緩慢，而超級電容能夠實(shí)現快速充電，僅需10秒到10分鐘就能夠完成充電。
同時(shí)，在需要頻繁快速充放電的場(chǎng)合中，超級電容器表現出色，如電動(dòng)汽車(chē)的加速和制動(dòng)能量回收，在這個(gè)過(guò)程中，超級電容器可以在瞬間提供或吸收大量功率。還用于電網(wǎng)的調頻、調壓，能夠快速響應電網(wǎng)功率變化，維持電網(wǎng)穩定。
此外，常見(jiàn)的鋰電池，其循環(huán)壽命通常在2000-4000次左右，并且循環(huán)次數越多，其電量存儲的也越少，這就導致使用幾年后必須進(jìn)行電池更換。
而超級電容的循環(huán)壽命達到了50萬(wàn)至100萬(wàn)次，使用年限可以到10年以上。像工業(yè)領(lǐng)域的起重機械、電梯勢能回收等設備，由于需要長(cháng)期反復使用，超級電容器的長(cháng)循環(huán)壽命優(yōu)勢凸顯，可有效降低設備的維護成本。
并且常見(jiàn)的電容器其電容單位往往是pF或μF，超級電容儲存的電容量可以達到F級。如果一個(gè)電容為5F的超級電容，在加上兩個(gè)市面中長(cháng)江的7號電池的電壓（3V左右），那么這個(gè)超級電容儲存的電荷量將達到15C，相當于一道閃電。
因此，超級電容器也非常適用于太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的儲能。并且由于超級電容器本身采用碳材料，而不是常見(jiàn)的蓄電池，也不會(huì )造成重金屬污染等問(wèn)題，加上長(cháng)壽命等特點(diǎn)，有望在碳中和的未來(lái)占據重要地位。
當然，超級電容器在技術(shù)上還有一些難點(diǎn)需要解決，例如超級電容器的功率密度雖然很高了，但與傳統電池相比，其功率密度仍然較低，這限制了其在一些需要長(cháng)時(shí)間、大量能量供應的場(chǎng)景中的應用。
并且超級電容器存在一定的自放電現象，導致其在長(cháng)時(shí)間存儲后電量會(huì )有一定程度的損失，影響了其實(shí)際使用效能。目前雖然有一些表面處理等方法可以治標，但由于對自放電研究還不夠深入全面，還無(wú)法從根本上解決這一問(wèn)題。
電極材料也是影響超級電容器性能的關(guān)鍵因素之一。目前常見(jiàn)的碳材料、金屬氧化物、導電聚合物等電極材料，在比表面積、導電性、穩定性等方面還存在不足。開(kāi)發(fā)新型電極材料，如石墨烯、碳納米管、MXene等，雖然取得了一定進(jìn)展，但在大規模生產(chǎn)和應用中仍面臨成本控制、材料一致性等問(wèn)題。
不過(guò)就像固態(tài)電池一樣，目前所面臨的問(wèn)題，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展都能得到有效的解決。并且未來(lái)在一些復雜的應用場(chǎng)景中，將超級電容器和固態(tài)電池結合形成混合儲能系統是非常有前景的。
比如在電動(dòng)汽車(chē)中，超級電容器可以在加速、制動(dòng)等高功率工況下快速響應，而固態(tài)電池則提供穩定的能量輸出，滿(mǎn)足車(chē)輛行駛的基本能量需求。在可再生能源存儲系統中，超級電容器可以快速處理功率波動(dòng)，固態(tài)電池則用于長(cháng)時(shí)間的能量存儲，這樣的組合可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高儲能系統的整體性能。
小結
超級電容器作為介于傳統電容器和電池之間的電化學(xué)儲能裝置，具有高能量密度、快速充放電、長(cháng)循環(huán)壽命和高功率密度等特性，經(jīng)多年商業(yè)化推進(jìn)與技術(shù)進(jìn)步，在新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)等儲能市場(chǎng)應用廣泛且潛力巨大。雖仍面臨能量密度有待提升、自放電、電極材料優(yōu)化等技術(shù)難點(diǎn)，但隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展有望解決，未來(lái)與固態(tài)電池結合構建混合儲能系統前景可期，有望在能源存儲領(lǐng)域發(fā)揮更重要作用。
