超级电容器正在成为储能领域新的蓝海市场

电子发烧友网报道（文/黄山明）电容器，顾名思义是一种能够将电能储存在电场中的电子元器件，这种产品几乎存在于所有的电子设备中。但普通的电容器如何才能做到储存更多的电能呢，为此开发者们做了许多努力，比如更换不同的电介质，或将电容做成堆叠的薄片等，但都无法让电容器的电容值实现量级上的突破。

而超级电容器的出现，不仅解决了电容值的问题，甚至有望推动储能的技术发展。

超级电容器的发展

所谓超级电容器，就是一种介于传统电容器和电池之间的电化学储能装置。它具有比传统电容器更高的能量密度，同时又能像电容器一样快速充放电，并且循环寿命长、功率密度高。

超级电容的正负极材料主要为活性炭，其燃点高达350℃，燃烧速度较慢。并且活性炭密封在超级电容单体内部，让其安全性进一步提升。

超级电容器通常有双电层电容和法拉第准两种工作原理。在双层电容下，当电极浸泡在电解液中时，在电极和电解液的界面会形成双电层。

以活性炭为例，其丰富的孔隙结构提供了巨大的表面积。在充电时，电解液中的阳离子会向带负电的电极表面聚集，而阴离子会向带正电的电极表面聚集，这些离子在电极表面附近形成紧密的电荷层，就像电容器的两个极板一样储存电荷。这种电荷的存储是基于静电吸附作用，没有发生化学反应。而放电过程则是相反的，离子离开电极表面，使得存储的电荷释放出来，为外部电路提供电能。

法拉第准电容下，有些超级电容器的电极材料（如金属氧化物、导电聚合物等）在充放电过程中会发生快速可逆的氧化还原反应。

比如，对于氧化钌（RuO₂）电极材料，在充电时，RuO₂表面会发生反应：RuO₂ + H₂O + e⁻→RuOOH+OH⁻，电子的转移使得电荷存储在电极材料中。放电时，反应逆向进行，释放出存储的电子，从而为外部电路提供电能。这种基于氧化还原反应的电荷存储方式，使得超级电容器的电容值比单纯基于双电层电容的要高，进一步增加了其储能能力。

在18世纪中叶，荷兰莱顿大学马森布罗克与德国冯・克莱斯特研制出莱顿瓶，被公认为是所有电容器的原型。1879年，亥姆霍茨发现界面双电层现象，并提出了双电层理论，为超级电容器的发展奠定了理论基础。

1969年，Sohio公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化。1979年，日本NEC公司开始生产超级电容器，次年的1980年，NEC/Tokin公司与松下三菱公司率先实现超级电容器的商业化生产。

2007年1月，美国《探索》杂志将超级电容器列为 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。

近年来，随着纳米技术、材料科学等相关领域的不断进步，超级电容器的性能得到了显著提升。新型电极材料如石墨烯、碳纳米管等的应用，使得超级电容器的能量密度和功率密度有了较大提高。未来有望实现更高的能量密度、更低的成本和更长的使用寿命，从而在能源存储市场中占据更重要的地位。

储能市场中的超级电容器

近年来，随着新能源汽车、智能电网等下游应用领域的需求推动，超级电容器市场规模呈现快速增长态势。2023年全球超级电容器市场规模约21亿美元，中国市场规模约30.5亿元，且预计未来仍将保持较高的增长率。

而超级电容器在储能市场中有着巨大的发展潜力，一个是可以替代许多传统电池的工作。如今的电动汽车，大多采用可充电锂电池，充电速度缓慢，而超级电容能够实现快速充电，仅需10秒到10分钟就能够完成充电。

同时，在需要频繁快速充放电的场合中，超级电容器表现出色，如电动汽车的加速和制动能量回收，在这个过程中，超级电容器可以在瞬间提供或吸收大量功率。还用于电网的调频、调压，能够快速响应电网功率变化，维持电网稳定。

此外，常见的锂电池，其循环寿命通常在2000-4000次左右，并且循环次数越多，其电量存储的也越少，这就导致使用几年后必须进行电池更换。

而超级电容的循环寿命达到了50万至100万次，使用年限可以到10年以上。像工业领域的起重机械、电梯势能回收等设备，由于需要长期反复使用，超级电容器的长循环寿命优势凸显，可有效降低设备的维护成本。

并且常见的电容器其电容单位往往是pF或μF，超级电容储存的电容量可以达到F级。如果一个电容为5F的超级电容，在加上两个市面中长江的7号电池的电压（3V左右），那么这个超级电容储存的电荷量将达到15C，相当于一道闪电。

因此，超级电容器也非常适用于太阳能、风能等清洁能源的储能。并且由于超级电容器本身采用碳材料，而不是常见的蓄电池，也不会造成重金属污染等问题，加上长寿命等特点，有望在碳中和的未来占据重要地位。

当然，超级电容器在技术上还有一些难点需要解决，例如超级电容器的功率密度虽然很高了，但与传统电池相比，其功率密度仍然较低，这限制了其在一些需要长时间、大量能量供应的场景中的应用。

并且超级电容器存在一定的自放电现象，导致其在长时间存储后电量会有一定程度的损失，影响了其实际使用效能。目前虽然有一些表面处理等方法可以治标，但由于对自放电研究还不够深入全面，还无法从根本上解决这一问题。

电极材料也是影响超级电容器性能的关键因素之一。目前常见的碳材料、金属氧化物、导电聚合物等电极材料，在比表面积、导电性、稳定性等方面还存在不足。开发新型电极材料，如石墨烯、碳纳米管、MXene等，虽然取得了一定进展，但在大规模生产和应用中仍面临成本控制、材料一致性等问题。

不过就像固态电池一样，目前所面临的问题，随着技术的发展都能得到有效的解决。并且未来在一些复杂的应用场景中，将超级电容器和固态电池结合形成混合储能系统是非常有前景的。

比如在电动汽车中，超级电容器可以在加速、制动等高功率工况下快速响应，而固态电池则提供稳定的能量输出，满足车辆行驶的基本能量需求。在可再生能源存储系统中，超级电容器可以快速处理功率波动，固态电池则用于长时间的能量存储，这样的组合可以充分发挥两者的优势，提高储能系统的整体性能。

小结

超级电容器作为介于传统电容器和电池之间的电化学储能装置，具有高能量密度、快速充放电、长循环寿命和高功率密度等特性，经多年商业化推进与技术进步，在新能源汽车、智能电网等储能市场应用广泛且潜力巨大。虽仍面临能量密度有待提升、自放电、电极材料优化等技术难点，但随着技术发展有望解决，未来与固态电池结合构建混合储能系统前景可期，有望在能源存储领域发挥更重要作用。