《超级电容器材料及结构形式-2020版》

据麦姆斯咨询介绍，超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。英国知名研究机构IDTechEx在这份最新的报告中揭示了为什么丰田（Toyota）、大众（Volkswagen）以及中国中车（CRRC）等巨头会将超级电容器视为一个潜在的大市场，以及汽车、巴士等领域的一种关键使能技术。而材料是影响超级电容器性能和成本的关键之一。

超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的两个非活性多孔板，电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同，可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。

超级电容器可以实现可拉伸的结构形式，而这是电池很难做到的。与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要包括：功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护以及绿色环保。想象一下，一辆采用超级电容器的巴士，只需要在停车场充电几秒钟就可以完成，而且没有报废处理的成本。

锂离子电池和超级电容器对比

超级电容器的材料研究从椰子壳、杏仁壳、麦子等多种材料，转到与石墨烯和碳纳米管复合材料相匹配的固体离子凝胶等。这将使超级电容器的寿命超过目前锂离子电池的三倍，甚至更多。兰博基尼（Lamborghini）、吉利（Geely）、麻省理工学院（MIT）、伦敦帝国理工学院（Imperial College London）以及日本某电子巨头，优化、整合这类新材料打造的超级电容器智能车身电动汽车，其储能装置将不再需要考虑重量和空间。通过添加无毒的柔性可拉伸的医用植入物和贴片，利用超级电容器原料可切割成所需要的各种形状。

IDTechEx凭借多语种和博士学历的分析师团队，在本报告中对超级电容器及其衍生物中的先进材料进行了评估和预测。例如，关于分级电极vs外嵌型电极、石墨烯vs碳纳米管vs金属氧化物骨架（MOF）电极的对比分析等；了解电池-超级电容器混合器件（BSH）vs法拉第准电容器的挑战和机遇，能量密度增加的范围，其它参数的权衡，以及顶尖大学教授和IDTechEx专家的深入评估。

具有自愈、形状记忆、电致变色和光电探测功能的智能超级电容器

本报告覆盖了超级电容器新材料和结构形式的过去和未来，以及如何带来更大的市场。报告中长达19页的摘要和结论部分，就足以满足那些急于了解该行业的人，提供了关于超级电容器新材料的信息图表、技术对比分析、具有商业意义的研究摘要、20年技术路线图、市场预测以及当前的材料市场空白等。

IDTechEx在本报告中解释了为什么超级电容器及其变体仍然没有规模起量。这在很大程度上是因为锂离子电池的发展速度太快，成本直线下降，使得超级电容器仍然仅是一种具有最佳可靠性、最长寿命和最快充放电的利基应用。不过，这也显现了全新的材料和结构形式带来的改变，吸引了更多的科研人员和全球巨头的投入。很快，超级电容器将在更多的应用领域与电池正面竞争，而且还将涉及可食用和纺织物等形式，“重新定义战场”。人们对电动汽车快速充电、加速以及仿生男女机器人的兴趣日益浓厚，更凸显了新型超级电容器的优势。

2020~2040年超级电容器活性电极材料市场预测

IDTechEx首席执行官Raghu Das表示，“超级电容器将具有可拉伸、生物相容和生物降解等物理性能，而电池很难实现。想象一下，如果一辆电动大巴在停车场停留的片刻，几秒钟内就可以完成充电得有多棒！事实上，在中国，已有一些超级电容器巴士由于在使用寿命结束时没有回收或再利用问题（没有贵重材料和有毒物质）而得到推广。尽管它们现在还没有足够长的续航里程而获得主流应用，但有几个研究项目正在以此为目标。”

增加能量密度需要最大化有用的电极面积。这方面，新的选择是分级型（hierarchical）或外嵌型（exohedral）电极。分级结构含有不同尺寸的孔（从微孔到大孔），很多孔结构相互连接并以分级的形式组装起来。这些电极材料目前是由椰子、瓜皮、木材、松针或鱼鳞热解制成，以实现成本效益方面的权衡。

外嵌型是指具有大比表面材料的微观阵列，特别是碳同素异形体（如石墨烯和碳纳米管），以及最近研究的其它二维材料（如MOF）。对于这两种类型，严谨合成可能在生产中过于昂贵。碳化物中的碳也可能产生混合物和杂质。

超级电容器材料的新兴选择

本报告在引言部分解释了成本和重量、功率密度和频率的权衡，以增加能量密度。了解超级电容器、BSH和法拉第准电容器的优化、研究、待改进参数的开发方法，以实现规模应用。

本报告在第3章着重讨论了如何通过分级和外嵌型电极来提高纯超级电容器的能量密度。第4章详释了改善功率密度的商业影响。第5章解释了对自漏电改善的强烈期望，在这方面投入了大量研究。第6章深入研究了法拉第准电容器。

第7章探讨了在上述所有选择中至关重要的超级电容器电解液，用大量图表比较了参数和配方、溶剂溶质vs离子、水性vs非水性、毒理学、应用趋势等。第8章介绍了石墨烯在复合材料多种变体中的应用，其形态和纯度，包括一些生产中的超级电容器。第9章将此扩展到了MOF及其它二维材料。第10章对碳纳米管也做了同样的研究，包括原因、进展和计划。还介绍了碳纳米纤维（CNF）、气凝胶和水凝胶，它们通常优先考虑承载、柔性和其它结构形式，而不是能量密度。

第11章主要聚焦了超级电容器车辆车体、轮胎和线缆。第12章介绍了柔性、透明、耐磨、可拉伸、纸质和微尺寸的材料。附录给出了2010~2020年商用超级电容器使用的材料。IDTechEx在这份报告中引用了最全面的优秀研究成果。先进材料厂商可以从本报告中看到实质性的大量新机遇。