超级电容,锂离子电池替代者

对于电子产品我们大都患有“能源焦虑症”，所以，除了压榨电源管理达到极限以外，寻找更强大的“电源”就成了“永恒”的追求。锂离子电池可以说是当今人们能够找到的最理想的商用储能技术，但仍谈不上完美，特别是在安全性方面，需要人们花费很多精力去小心伺候。所以，寻找锂离子电池替代技术的努力也一直没有停止。超级电容，可以称得上是一位实力候选者。

与传统的电容相比，超级电容的结构比较特殊，可以将其简单地理解为在电解质中加入的两个多孔电极板，在电极板上加电，电解质中相反极性的离子就会在电极附近形成两个容性存储层，以达到储能的目的。超级电容储能容量的大小，与电极的平面面积正相关，由于超级电容电极表面多采用多孔炭材料，所以有效的面积很大（可达2000 m2/g），储存能量的能力（静电容量）远远大于传统的电容器， 且具有非常小的电荷分离距离，这也是其“超级”二字的意义所在。

这样特殊的架构，也决定了超级电容和其他储能技术相比，拥有诸多优势，比如：

• 容量远超传统电容，范围可达0.1F至1000F，甚至上万F；

• 极快的充电速度，通常充电10秒至10分钟可达到其额定容量的95%以上；

• 循环使用寿命长，充放电循环使用次数最高可达50万次，且没有“记忆效应”；

• 功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；

• 大电流放电能力超强，能量转换效率高；

• 安全可靠；充放电电路简单，无需特殊的保护电路；

• 低温特性好，温度范围宽达-40℃～+70℃；

• 环保，产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染。

表1，超级电容与电池的性能比较

正是由于认识到超级电容的这些价值，近年来它的应用也日渐趋热。根据IDTechEX的调研数据，2014年全球超级电容器全球市场规模为11亿美元，到2018年市场规模将达到32亿美元，年复合增长率为31%。有数据显示，中国超级电容市场规模也将从2016年的30亿元增长到2020年的60亿元，实现翻番。

所以遇到“治愈系”系的超级电池，对于那些患有能源“焦虑症”的市场，真的算得上是个福音。

汽车和交通运输将是超级电容的第一大应用市场。如在混合动力汽车中，利用超级电容快速充放电的特性，可以和电池配合形成智能启停控制系统——超级电容可迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能完成充电，而在加速和爬坡时放电，为智能启停控制系统电机提供电能，延长电池的使用寿命。类似的思路用在火车和地铁的刹车制动系统上，预计可以节省30%的能量。与此同时，完全由超级电容构成的动力系统，也有望在新型城市公共交通中发挥作用——超级电容无轨电车可利用乘客上下车的时间，在30秒内完成充电并行驶5公里以上，无需复杂的供电线路布设，全程零排放。超级电容电车目前已经有很多城市付诸实用。

图1，在奥地利格拉兹市运营的中国产超级电容电车（图片来源：国际在线）

能源电力是超级电容另一个市场发力点。后备电源是超级电容一个典型的应用场景，它可以在线路失电时，为开关设备提供可靠的电源支持。另外在新能源微电网储能系统中，超级电容可以在低负荷时储存电能，而在高负荷时输出电能，满足微电网用电需求，提高电网的稳定性。此外，超级电容在风力发电中还有一个典型应用，就是为变桨系统提供所需的驱动电力或后备电力，使得在电力供应停止的时候把桨叶的方向转到安全位置上，由于超级电容循环使用寿命长，用它替代以往使用的电池可大大降低风力发电系统维护成本。

在工业领域超级电池同样可以施展拳脚。比如大型工程机械、电梯等，由于使用时启动、停止操作频繁，以往有1/3的电能都以热量形式耗散掉了，使用超级电容与电池组成的混合动力系统，可以对机械制动的能量进行回收和利用，达到节能的目的。

此外，在新兴的物联网领域，从环境中收集能量作为边缘端设备的电源，已经成为重要的考虑。超级电池寿命长、可靠性高、无需额外保护电路等特性，使其有望成为能量收集的储能设备，无论是单独使用，还是和电池系统搭配使用，都能发挥重要作用。超级电容也在不断改变自己的形态去适应的多样化市场的要求，比如有报道称，中科院就正在研发一种柔性、超薄、轻量化的皮肤型超级电容能量存储装置，为可穿戴设备提供电能，其比电容为56F/g，能量密度为6.0 Wh/kg，功率密度为332kW/kg。

和锂离子电池等成熟技术相比，超级电容的商用化进程才刚刚起步，在能量密度等方面与电池相比也还有很大差距。不过随着石墨烯等新材料的应用，以及商用超级电容产品的不断进化，它终究会成为能源“焦虑症”的一颗定心丸。

图2，KEMET公司制造的表面贴装式超级电容，已经有很多成功的商用案例

图3，AVX公司的SCM系列超级电容，具有高容值和低ESR特点，具有出色的脉冲功率特性，无论是单独使用还是和电池配合使用，都能够有效延长系统待机时间和电池寿命，提供所需的瞬时功率脉冲，是手持设备、能量收集和脉冲功率应用中出色的能源解决方案。