电子行业:超级电容具备超级前景
2020-07-07
超级电容可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、风光发电、交通工具、智能三表、电动工具、军工等领域具有非常广阔的发展前景，特别是在部分应用场景具有非常大的性能优势。根据美国能源局测算，超级电容的市场容量从2007 年的40 亿美元，增长到2013 年的120 亿美元，中国市场超级电容2013 年则达到了19.2 亿元人民币。一旦汽车等应用打开，市场将迎来快速的爆发。
1.双电层理论：超级电容的工作原理：
1.1双电层理论
超级电容（法拉电容、黄金电容）是利用电子导体活性炭与离子导体有机或无机电解液之间形成感应双电荷层原理制成的电容器。超级电容器电荷距离远比传统电容器介质材料所能实现的距离更小，活性炭电极表面积成数量级增大，使得超级电容较传统电容器而言有超级大的静电容量，这也是其超级所在。
双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的。1879年Helmholz发现了电化学界面的双电层电容性质；1957年，Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利（提出可以将小型电化学电容器用做储能器件）；1962年标准石油公司(SOHIO)生产了一种6V的以活性碳(AC)作为电极材料，以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器，1969年该公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化;1979年NEC公司开始生产超级电容器(SuperCapacitor)，开始了电化学电容器的大规模商业应用;随着材料与工艺关键技术的不断突破，产品质量和性能不断得到稳定和提升，到了九十年代末开始进人大容量高功率型超级电容器的全面产业化发展时期。
在超级电容器的产业化上，最早是1980年NEC/Tokin与1987年松下三菱的产品.到20世纪90年代，Econd和ELIT推出了适合于大功率启动动力场合的电化学电容器.如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃。目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，各个国家的超级电容量器产品在功率、容量、价格等方面都自己的特点和优势。
电容器不同于电池，在充放电时不发生化学反应，电能的储存或释放是通过静电场建立的物理过程来完成的，电极和电解液几乎不会老化，因此使用寿命长，并且可以实现快速充电和快速大电流放电。
当外加电压加到两个极板上时，与普通电容器一样，超级电容器正负极板会分别产生正负电荷，在两极板电荷产生的电场作用下，电解液中的电荷会重新分布，并在与电极的接触界面上形成以极短间隙排列在相反位置上的相反电荷，以平衡电解液内电场，从而形成特殊的双电层电荷分布结构超级电容器是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，它每克的表面积可高达2000平方米。而超级电容器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。随着超级电容器放电，正负极板上的电荷被外电路泄放，在电解液界面上的电荷相应减少，所以充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。
1.2各领风骚：超级电容vs锂电池
能量储存是超级电容与电池的功能特点，故而在风光发电、电动汽车等等应用领域中，超级电容与电池特别是锂电池的技术之争从未平息。
从能量密度和功率密度的角度来看，电池共同的特点是能量密度相对较高，但是由于电流较小，功率密度较低。而超级电容则正好相反，由于电流较大，功率密度较高，但是受限于材料等因素，能量密度较低。
相比于电池（铅酸、镍锰、锂），超级电容具有充电速度块，功率密度高、寿命长、安全性好、环保、工作范围大等优点，在一定的应用场合将成为传统电池的替代者。
而超级电容最大的问题在于能量密度较低，包括体积能量密度和重量能量密度两个方面，所以更多应用在体积、重量相对不太敏感，对于瞬间大电流有应用要求的使用环境。
事实上，我们相信未来更多的应用将是把超级电容与传统电池结合的模组化产品，又超级电容满足瞬间功率要求，由电池提供稳态功率输出。
2.超级电容的广阔空间
超级电容可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、风光发电、交通工具、智能水表、电动工具、军工等领域具有非常广阔的发展前景，特别是在部分应用场景具有非常大的性能优势。
从过去几年超级电容市场领先的Maxwell的情况来看，从2007年的1740万美元，到2012年接近1亿美元，呈现出快速的增长势头。
根据美国能源局测算，超级电容的市场容量从2007年的40亿美元，增长到2013年的120亿美元。而中国市场超级电容2013年则达到了19.2亿元人民币，预计到2016年将超过33.8亿元人民币。一旦汽车等应用打开，市场将迎来快速的爆发。
2.1新能源应用潜力巨大
新能源领域中，太阳能、风能等能源具有时间上的不均匀性，在昼夜和不同季节的分布上变化较大，超级电容与由于充电快、寿命长，可靠性强，耐大电流能力强等优势，可以在太阳能、风力发电等领域广泛应用。
在太阳能、风能输出不稳定时，由超级电容器作为缓冲器存储过剩能量，在电能输出不足时则将超级电容器中存储能量在短时间内释放。
同时新能源采集中，需要用到各类机械控制系统，以往这类系统的能源由电池提供，由于工作具有间歇性和瞬间强度大等特点，导致电池寿命大大降低。超级电容器由于充放电快，寿命长，特别适合这种应用场景，更可以减少频繁更换电池带来的人工和维护成本。
2.2电动汽车：超级电容与锂电池整合方案
随着Tesla的销售火热带动了整个市场对于新能源汽车的巨大热情，超级电容作为新能源汽车的能源选择之一受到广泛的关注和研究。
目前来看超级电容主要包括两类应用，一是应用于纯电或混合动力电动车，作为能量存储缓冲单元，在汽车减速或停车时制动系统产生的热能转化为电能储存在超级电容模组中，在启动过程中利用超级电容的瞬间大功率特性，带动发动机工作。智能启停控制系统成为了超级电容在新能源汽车领域的重要应用。
另一类应用则是具有稳定行进线路的超级电容公交大巴，这一应用目前已经在包括上海等几个城市展开试点。以超级电容作为主要动力源(4.700, 0.01, 0.21%)时，由于超级电容目前存在能量密度小的问题，续航里程相对较短。但是应用于具有稳定行进路线的公交大巴应用时，由于站点间距离有限，可以利用停站上下客的时间快速充电，恰好符合超级电容的性能特点。
2.3智能水表应用：大幅降低维护成本
传统的智能水表，在控制水阀普遍采用的方法是内装锂电池的设计，优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。但是锂电池使用到一定时间后，不得不更换电池，需要上门为用户更换电池或水表，增加了后续的维护成本。对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。另外，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量，将无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。
用超级电容代替锂电池可以解决这个问题。超级电容是一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。
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