中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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電容器，顧名思義是一種能夠?qū)㈦娔軆?chǔ)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(shè)備中。但普通的電容器如何才能做到儲(chǔ)存更多的電能呢，為此開發(fā)者們做了許多努力，比如更換不同的電介質(zhì)，或?qū)㈦娙葑龀啥询B的薄片等，但都無(wú)法讓電容器的電容值實(shí)現(xiàn)量級(jí)上的突破。
而超級(jí)電容器的出現(xiàn)，不僅解決了電容值的問(wèn)題，甚至有望推動(dòng)儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展。
超級(jí)電容器的發(fā)展
所謂超級(jí)電容器，就是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。它具有比傳統(tǒng)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(zhǎng)、功率密度高。
超級(jí)電容的正負(fù)極材料主要為活性炭，其燃點(diǎn)高達(dá)350℃，燃燒速度較慢。并且活性炭密封在超級(jí)電容單體內(nèi)部，讓其安全性進(jìn)一步提升。
超級(jí)電容器通常有雙電層電容和法拉第準(zhǔn)兩種工作原理。在雙層電容下，當(dāng)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(jié)構(gòu)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(fù)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(chǔ)存電荷。這種電荷的存儲(chǔ)是基于靜電吸附作用，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而放電過(guò)程則是相反的，離子離開電極表面，使得存儲(chǔ)的電荷釋放出來(lái)，為外部電路提供電能。
法拉第準(zhǔn)電容下，有些超級(jí)電容器的電極材料（如金屬氧化物、導(dǎo)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(yīng)。
比如，對(duì)于氧化釕（RuO?）電極材料，在充電時(shí)，RuO?表面會(huì)發(fā)生反應(yīng)：RuO? + H?O + e?→RuOOH+OH?，電子的轉(zhuǎn)移使得電荷存儲(chǔ)在電極材料中。放電時(shí)，反應(yīng)逆向進(jìn)行，釋放出存儲(chǔ)的電子，從而為外部電路提供電能。這種基于氧化還原反應(yīng)的電荷存儲(chǔ)方式，使得超級(jí)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(chǔ)能能力。
在18世紀(jì)中葉，荷蘭萊頓大學(xué)馬森布羅克與德國(guó)馮?克萊斯特研制出萊頓瓶，被公認(rèn)為是所有電容器的原型。1879年，亥姆霍茨發(fā)現(xiàn)界面雙電層現(xiàn)象，并提出了雙電層理論，為超級(jí)電容器的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
1969年，Sohio公司首先實(shí)現(xiàn)了碳材料電化學(xué)電容器的商業(yè)化。1979年，日本NEC公司開始生產(chǎn)超級(jí)電容器，次年的1980年，NEC/Tokin公司與松下三菱公司率先實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的商業(yè)化生產(chǎn)。
2007年1月，美國(guó)《探索》雜志將超級(jí)電容器列為 2006 年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，認(rèn)為超級(jí)電容器是能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池。
近年來(lái)，隨著納米技術(shù)、材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，超級(jí)電容器的性能得到了顯著提升。新型電極材料如石墨烯、碳納米管等的應(yīng)用，使得超級(jí)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(xiàn)更高的能量密度、更低的成本和更長(zhǎng)的使用壽命，從而在能源存儲(chǔ)市場(chǎng)中占據(jù)更重要的地位。
儲(chǔ)能市場(chǎng)中的超級(jí)電容器
近年來(lái)，隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)等下游應(yīng)用領(lǐng)域的需求推動(dòng)，超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2023年全球超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模約21億美元，中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模約30.5億元，且預(yù)計(jì)未來(lái)仍將保持較高的增長(zhǎng)率。
而超級(jí)電容器在儲(chǔ)能市場(chǎng)中有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，一個(gè)是可以替代許多傳統(tǒng)電池的工作。如今的電動(dòng)汽車，大多采用可充電鋰電池，充電速度緩慢，而超級(jí)電容能夠?qū)崿F(xiàn)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(jí)電容器表現(xiàn)出色，如電動(dòng)汽車的加速和制動(dòng)能量回收，在這個(gè)過(guò)程中，超級(jí)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(diào)頻、調(diào)壓，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)功率變化，維持電網(wǎng)穩(wěn)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(shù)越多，其電量存儲(chǔ)的也越少，這就導(dǎo)致使用幾年后必須進(jìn)行電池更換。
而超級(jí)電容的循環(huán)壽命達(dá)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(jī)械、電梯勢(shì)能回收等設(shè)備，由于需要長(zhǎng)期反復(fù)使用，超級(jí)電容器的長(zhǎng)循環(huán)壽命優(yōu)勢(shì)凸顯，可有效降低設(shè)備的維護(hù)成本。
并且常見(jiàn)的電容器其電容單位往往是pF或μF，超級(jí)電容儲(chǔ)存的電容量可以達(dá)到F級(jí)。如果一個(gè)電容為5F的超級(jí)電容，在加上兩個(gè)市面中長(zhǎng)江的7號(hào)電池的電壓（3V左右），那么這個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)存的電荷量將達(dá)到15C，相當(dāng)于一道閃電。
因此，超級(jí)電容器也非常適用于太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的儲(chǔ)能。并且由于超級(jí)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(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，有望在碳中和的未來(lái)占據(jù)重要地位。
當(dāng)然，超級(jí)電容器在技術(shù)上還有一些難點(diǎn)需要解決，例如超級(jí)電容器的功率密度雖然很高了，但與傳統(tǒng)電池相比，其功率密度仍然較低，這限制了其在一些需要長(zhǎng)時(shí)間、大量能量供應(yīng)的場(chǎng)景中的應(yīng)用。
并且超級(jí)電容器存在一定的自放電現(xiàn)象，導(dǎo)致其在長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)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(biāo)，但由于對(duì)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(jí)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(dǎo)電聚合物等電極材料，在比表面積、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性等方面還存在不足。開發(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(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)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(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景中，將超級(jí)電容器和固態(tài)電池結(jié)合形成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)是非常有前景的。
比如在電動(dòng)汽車中，超級(jí)電容器可以在加速、制動(dòng)等高功率工況下快速響應(yīng)，而固態(tài)電池則提供穩(wěn)定的能量輸出，滿足車輛行駛的基本能量需求。在可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)中，超級(jí)電容器可以快速處理功率波動(dòng)，固態(tài)電池則用于長(zhǎng)時(shí)間的能量存儲(chǔ)，這樣的組合可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能。
小結(jié)
超級(jí)電容器作為介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，具有高能量密度、快速充放電、長(zhǎng)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、智能電網(wǎng)等儲(chǔ)能市場(chǎng)應(yīng)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)，但隨著技術(shù)發(fā)展有望解決，未來(lái)與固態(tài)電池結(jié)合構(gòu)建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)前景可期，有望在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮更重要作用。
