新世纪突破性电源超级电容器风行世界

关键字：超级电容器  工作机理  技术性能 研发动态  应用需求 市场前景  
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。

世界着名科技期刊美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。

一、   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。

  

二、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。

  

三、国内外研发态势

  

目前全球已有上千家超级电容器生产商,可以提供多种类的超级电容器产品,但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构。

超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳,碳电极材料的表面积很大,电容的大小取决于表面积和电极的距离,这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离,使超级电容器的容值可以非常大,大多数超级电容器可以做到法拉级,一般情况下容值范围可达1-5000F。

超级电容器也可以分为两类:一类以活性炭材料为电极,以电极双电层电容的机制储存电荷,通常被称作双电层电容器(DLC)；另一类以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极,以氧化还原反应的机制存储电荷,通常被称作电化学电容器。

超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型,三者在容量上大致归类为5F以下、5-200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流长时间放电的性能,可用在小功率电子产品及电动玩具产品中做电源,或在带时钟的产品应用上进行数据存储,如录音机、MP3、家用电器、汽车音响等。而卷绕型和大型产品则多用于大电流短时放电,在有记忆储存功能的电子产品中做后备电源,注重数据保护和备份,适用于带CPU的智能家电、工控和通讯领域中的存储备份部件。

超级电容器按电极结构可分为以下三类：

1、碳-碳双极板对称结构超级电容器

正负电极采用了超大比表面积材料，这种超级电容器储能方式属于静电储能，能量储存与释放不涉及伴随质量转移的氧化还原过程，能量储存与释放速度很快，时间常数小，充放电次数可达到50万次，该类电容器目前主要应用于瞬时高功率辅助。

2、过渡金属氧化物超级电容器

电极反应是以快速法拉第氧化还原反应为基础，绝大多数电荷转移发生在固体电极的表面或表面附近的薄层内。储存容量通常比双电层材料大很多，其能量密度较高，此类超级电容器目前还处在实验室开发阶段，作为电极材料的各种过渡金属氧化物和聚合物制作工艺及最佳特性还在摸索过程中。