超級電容器國內外應用現狀研究

韓亞偉 姜 揮 付 強 郭春辰

1．同濟大學汽車學院

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0 引言

能源儲存是人類21世紀面臨的最大挑戰之一。為了滿足現代社會發展的需求和日益顯現的生態問題，必須尋找低成本、低碳排放的環保型能量轉換和儲存系統。超級電容器（Supercapacitor），也稱電化學電容器（electrochemical capacitors），是上世紀七、八十年代發展起來的一種介于常規電容器與化學電池之間的新型儲能器件[1]。超級電容器作為傳統電容器的升級版，擁有更高的電容量、更高的功率密度、高功率充放電能力以及長循環使用壽命，吸引了各行各業的關注。對于未來的儲能系統，美國能源部給予了超級電容和電池同等的重視，可見超級電容器廣闊的發展前景和在儲能領域的重要性。目前，超級電容器已在交通運輸、國防軍事、計算機、醫療、工業和電力等領域得到了廣泛應用，成為了儲能領域中的新亮點。

1 超級電容器的原理與分類

超級電容器主要由陰陽兩電極、電解質溶液、分離器和集流器組成，其中浸在電解液中的分離器使陰陽電極保持分離。超級電容器基于電極/電解液界面的充放電過程進行儲能，其儲能原理與傳統電容器相同，但更適合于能量的快速釋放和存儲。與傳統電容相比，超級電容具有更大的有效表面積，可使其電容量比傳統電容提高1萬倍[2]，同時還可保持較低的等效串聯內阻和高的比功率。

根據電荷儲存原理的不同，超級電容器可以分為三大類別：雙電層電容器（EDLC，electric double-layer capacitor）、贗電容器（PC，pseudo-capacitor）以及混合超級電容器（HSC，hybrid supercapacitor）[3]，根據電極材料的不同以及電容產生原理的不同等可將超級電容器按圖1所示進行分類。

雙電層電容器利用電極和電解質之間形成的雙電層界面來儲存電荷，其構造如圖2（a）所示。分離器將兩電極分離開，充電時正負電荷在兩電極表面積累形成電容，放電時積累的電荷重新回到電解液中，并在外電路產生放電電流。目前雙電層電容器的電極材料主要包括活性炭、碳納米管、石墨烯等[4]，具有電導率高、強度高、耐腐蝕、耐高溫等特點。

圖1 超級電容器的分類

贗電容器的電容來源于電極材料與電解質的氧化還原反應，其電極材料主要為金屬氧化物、摻雜金屬的炭和具有導電性的聚合物[5]，其構造如圖2（b）所示。贗電容器的電容產生過程中發生了電子轉移，雖然該電化學行為不同于純靜電雙電層電容器，但它也不同于電池。贗電容器的電容具有高度的動力學可逆性，其循環伏安圖曲線呈現近似矩形的形狀，這是一種典型的電容性特征[6]。

混合超級電容器是由石墨烯或石墨、活性炭等EDLC電極和金屬氧化物、導電聚合物等贗電容電極組成的混合系統[7-9]。由不同材料的兩種不同電極組成的混合超級電容器打破了組成元件各自的特性限制，因此，可以表現出比單個超級電容器更好的電化學性能?；旌铣夒娙萜骶哂懈叩墓ぷ麟娢缓透蟮碾娙萘?，比傳統電容器以及EDLC和贗電容器高出2～3倍，并可以保持循環穩定性和較高的耐受度[7]。

圖2 雙電層電容器和贗電容器的結構示意圖[10]

超級電容器由于其儲能機理和自身的特性，可以彌補傳統電容器與電池之間的空白，兼有電池高比能量和傳統電容器高比功率的優點，各儲能元件之間的比較見表1。

超級電容器的主要優點包括超過100萬次的超長充放電循環壽命、寬廣的工作溫度范圍（-40～70℃）、充電速度快、功率密度高、較低的維護要求等。另外，超級電容器的生產、使用、儲存以及拆解過程中均不使用有害化學品或者有毒金屬，因此是綠色環保的儲能裝置。

2 超級電容器的國內外應用現狀

20世紀八十年代，日本NEC公司生產超級電容器用于電動汽車的啟動系統，同時松下公司研究出了以活性炭為電極材料，以有機溶劑為電解質的超級電容器，開啟了超級電容器大規模的應用。如今，日本的Panasonic、Elna、Nec-Tokin公司，韓國的Ness、Korchip、Nuintek公司，俄羅斯的Econd和Elit公司以及美國的Maxwell、Tecate公司在國際超級電容器市場占據了很大的份額。

國內的超級電容器發展起步較晚，但在國家對新能源產業的政策支持下，超級電容器取得了飛速的發展，市場規模也迅速增長，近年來中國超級電容器市場規模情況見圖3。目前國內主要生產超級電容器的廠家有北京合眾匯能、北京集星、上海奧威、東陽光科、中車株洲電力機車、錦州凱美能源等，其技術水平與國外廠商的差距正在逐漸縮小。超級電容器在交通與運輸、國防與軍事、計算機與內存、工業、電力能源、日常應用等多個領域存在廣泛應用，本文結合超級電容器自身的特點對其在各領域的應用現狀進行闡述。

圖3 近年來中國超級電容器市場規模情況

表1 各儲能元器件的性能參數比較[4]

2.1 交通與運輸領域

超級電容器因充放電速度快、功率密度大、循環壽命長等特點，在汽車行業得到了廣泛應用。對于傳統燃油汽車，連接到內燃機的超級電容器可以提供瞬時的能量爆發，使汽車得以快速啟動。超級電容器的工作溫度范圍寬，低溫性能良好，應用超級電容器作為應急啟動電源裝置可以解決低溫環境下蓄電池難以啟動汽車的問題[11]。配備了超級電容啟停系統的汽車相比于傳統蓄電池啟停系統的汽車，可以擁有更低的燃油成本和維護成本以及更高的駕駛體驗[12]。

超級電容器作為混合動力汽車的動力源之一時，可以使車輛獲得更高的瞬時功率，進而提高車輛的加速性能；在車輛減速制動時，可以對制動能量進行回收，提高車輛的整車經濟性[13]。豐田公司的雅力士混合動力汽車和標致雪鐵龍便是使用超級電容器對車輛進行啟動并獲得瞬時大功率，以獲得更佳初步加速性能的典型車型[14]，如圖4所示。

圖4 配備超級電容系統的典型車型

超級電容器在交通領域的另一個重要應用場景是城市公交客車。由于城市公交客車在行駛工況中啟停頻繁，頻繁的制動剎車會造成大量動能的浪費，不僅使整車經濟性下降，同時還會產生較多污染氣體[15]。根據城市客車的行駛工況特點，采用超級電容器作為動力源，可對制動能量進行回收，進而提高車輛的經濟性。

2006年8月上海市在完成老城廂原11路無軌電車基礎上進行的全球最早的超級電容公交試點改造。該車采用上海奧威的超級電容器，一次充電公交模式續行里程為7．9 km，充滿電時間為90 s，再生制動能量回收明顯[16]。自2014年開始，海格品牌的超級電容公交車先后進入塞爾維亞、奧地利、比利時、以色列等市場，展現出了中國超級電容客車的海外競爭力[17]。

有軌電車和地鐵列車等重型城市交通車輛對儲能裝置的要求更高，因此超級電容器在軌道交通方面也獲得了較多的應用。2016年8月1日，中國首列完全自主化全線無接觸網“超級電容”現代有軌電車，在中車株洲電力機車有限公司下線，如圖5（a）所示。該有軌電車可在站臺區30 s內快速完成充電，一次充電可運行3～5 km，制動時能將85%以上的制動能量回收[18]。2012年9月，CAF公司的有軌電車在西班牙薩拉戈薩商業運營，如圖5（b）所示。該有軌電車裝載了8．2 kWh超級電容組/30 kWh鋰電池組的混合儲能系統，可保障約2 km至5 km的無觸網區段供電牽引[19]。

圖5 國內外超級電容有軌電車

德國西門子公司研究的SITRAS系統、加拿大龐巴迪公司研究的MITRIC系統都采用超級電容作為儲能裝置，并有成功應用在本國的地鐵中的例子[20]。2016年11月30日，國內首套擁有自主知識產權的1 500 V地鐵列車用超級電容器儲能裝置在廣州地鐵6號線潯峰崗站正式掛網運行，圖6為掛網運行的地鐵制動能量回收裝置。該超級電容儲能裝置可實現制動能量再利用，并避免能耗裝置電阻放熱造成電能浪費和環境溫度升高，具有良好的經濟效益和環境效益[21]。

圖6 廣州地鐵掛網運行的地鐵制動能量回收裝置[19]

電力系統分布范圍廣、環境復雜，大多可再生能源受環境限制較大，輸出的功率具有明顯的隨機性和波動性。超級電容器具有充放電速度快、功率密度高、受環境溫度影響較小等優點，因此非常適合做電力系統的儲能裝置。為改善電力系統提供的電能質量，需要超級電容儲能裝置與供電網絡并聯，如圖7所示。當直流母線電流受到干擾而發生波動時，超級電容器可吸收母線波紋峰值功率以調節有功和無功功率的輸出，提高系統穩定性與可靠性[22]。

圖7 電力系統中超級電容儲能裝置基本結構[22]

太陽能電池在工作過程中由于受環境的影響，輸出具有明顯的非線性特性[23]，如圖8所示。針對太陽能電池的工作特點，通常利用最大功率點跟蹤技術(MPPT)使其輸出功率保持在最大值。傳統MPPT中的儲能系統主要為鉛酸蓄電池，但以超級電容器設計的儲能系統可以獲得更好的動態特性、更高的能量轉換效率及系統使用壽命[24,25]。由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能光伏發電系統，利用高功率密度的超級電容器快速平抑直流母線功率高頻波動分量，延長了蓄電池的使用壽命，同時也發揮了鉛蓄電池容量大的優勢[25,26]。

圖8 光伏電池組在標準條件下的輸出曲線[22]

在風力發電系統中，由于風具有隨機性與波動性，應用超級電容器可以對波動功率實時控制，在長期不同工作環境中向電網提供平滑的功率輸出[27]。超級電容器可以應用在風力發電系統抵御穿越過程，以超級電容器作為負載，防止母線電壓過高[28]。超級電容器儲能系統已被大唐華創、米塔等多家大型風電企業采用。當風力發電機組出現故障時，需要儲能裝置內的電力改變葉片角度使風機完全停機以保障安全，風電變槳系統如圖9（a）所示。用超級電容器替換蓄電池給變槳距系統提供電源，可以降低風機維護成本，并提高其運行指標[29]。湖南耐普恩科技有限公司推出了風電變槳16V500F模組，如圖9（b）所示。

圖9 風電變槳系統及超級電容模組

2.2 工業領域

隨著工業現代化進程不斷加快，工業生產的體量越來越大，隨之帶來的是大量的能量浪費。為了提高經濟效益和節約能源，需要對這些能量進行回收再利用。目前回饋電網技術還不成熟，且會對電網產生污染，因此采用超級電容器作為儲能裝置是比較常用的方法。

起重機械在港口、建筑和礦業等領域應用廣泛，屬于高耗能設備，在下放重物時會釋放大量的重力勢能，對這部分能量的回收將有較好的節能效果。起重機超級電容器節能系統見圖10。中船澄西船舶修造有限公司以生產的一臺50 t橋式起重機為樣機進行了能量回收測試，其測試結果表明裝載了超級電容節能系統后，起重機的節電率超過了50%[30]，獲得了很好的經濟效益。

圖10 起重機超級電容器節能系統[30]

抽油機屬于位能型負載，電機會周期性進入倒發電狀態，在變頻器基礎上引入超級電容儲能技術可以有效回收電極發電產生的電能。2008年上海電驅動有限公司發表了油田抽油機用電機控制系統專利，其控制系統儲能器件便是超級電容器，如圖11所示。在油田抽油機抽油桿下降時，將抽油桿下降位能轉換成電能儲存到超級電容器中，在油田抽油機抽油桿提升時，從超級電容器中獲取電能產生上升動力，從而大幅增加了整體運行效率[31]。對某款油梁式抽油機進行了超級電容儲能技術的改裝，在滿足了實際生產需要的同時可保證平均效率在90%以上，單井年節約資金約1．6萬元，達到了節能減耗、降低生產成本的目的[32]。

圖11 抽油機超級電容儲能系統結構圖[33]

網電修井機在下鉆過程中，加入超級電容器儲能系統可將下鉆過程中管(桿)柱勢能轉化成的電能儲存在超級電容器中，在起鉆作業時協同變壓器驅動大鉤上行。勝利油田與山東愛特機電聯合研發了采用超級電容儲能技術的新型網電修井機，與普通網電修井機相比節能超過40%[34]。渤海石油和華北油田共同研制開發的XJ900DBN電動儲能內繃繩修井機集成應用網電、超級電容儲能、內繃繩技術于一身，如圖12所示。與常規柴油修井機相比節能率達87．3%，經測算單井作業節約能耗86．7%，取得了非常好的經濟效益。

圖12 XJ900DBN電動儲能內繃繩修井機

2.3 國防與軍事領域

隨著國防與軍事建設的現代化，各種高科技設備和儀器都持續得到開發和應用，而這些設備或儀器的工作條件往往比較嚴苛，因此對儲能電源的要求也會較高，如：需要功率高、工作溫度范圍寬、循環使用壽命長等。因此超級電容器憑借其自身的優點，在國防軍事方面也具有很好的應用前景。

圖13 美國Tecate公司生產的各類軍用超級電容器系統

超級電容器可以為航空航天的各種電子設備提供電能，比如總部位于美國圣地亞哥的Tecate集團生產的PC超級電容器可用于各種航空電子控制的短期電源，并且無需維護；HA系列超級電容器可用于航空電子設備存儲驅動器中的數據備份。Tecate集團還制造生產出了許多軍用超級電容系統，如圖13所示。

超級電容器可作為軍工產品的緊急電源，比如用于軍用機器人的數據備份緊急電源，用于坦克和裝甲車中失去主電源的消防系統的緊急電源等?，F代軍事衍生出的武器大多需要電源提供電力，超級電容器是為這些武器提供短期和瞬時峰值功率的理想選擇。如：用于GPS導航的導彈、炮彈、魚雷等的短期電源，用作坦克火炮炮塔的輔助電源，用于提供陸基發射系統的脈沖功率等。

現代高性能相控陣雷達根據不同需要可裝載在艦艇、汽車、飛機、衛星等平臺上，裝載在艦艇上的各種雷達稱為艦載雷達?，F代海戰對艦載雷達系統的性能提出了更高的要求，電源系統必須做到高可靠性、高功率密度和高效率，因此超級電容器在艦載雷達電源系統中得到了廣泛的使用[35]。

超級電容器可提高無線系統的射頻性能和安全性，可用于飛行員無線電求救信號的最后緊急電源，為便攜式軍用電子設備提供瞬時峰值功率等。超級電容器也用于軍用車輛，比如用作防地雷反伏

擊車的車門緊急電源，用于各種軍用車輛平臺中滅火系統的電源和軍用車輛的冷啟動[36]等。

2.4 日常應用領域

超級電容器的特點使其在日常照明領域也有很廣的應用前景。為解決相機電池不能滿足閃光燈大電流的要求，安森美半導體推出了經過優化的超級電容閃光驅動器NCP5680，可為相機的閃光燈和視頻攝像燈提供達10 A的大電流[37]。耐普恩公司將超級電容器和光伏路燈結合，推出了超容光儲一體燈，如圖14所示，該路燈能高效利用光伏發電板產生的電能，具有超寬的工作溫度，使用壽命達到10年以上。Maxwell與Celadon合作開發了超級電容遙控器等產品。遙控器最初是通過使用兩個AAA電池來操作的，而超級電容器則使其具有快速充電功能[38]，且充電周期中斷時沒有損壞的風險。

圖14 耐普恩超級電容光伏路燈

超級電容器在便攜式電子設備中可作為短時斷電的后備儲能裝置，可以滿足熱插拔、數據保存和傳輸功能。Tecate集團的超級電容器可為便攜式音頻播放器、設定盒、遙控器、可充電式手電筒供電，還可為GPS設備提供短期電源，允許設備進行熱插拔。

超級電容器在智能表領域的掉電預警、表計RTC等方面也有廣泛應用。國網單相電能表要求使用超級電容器進行RTC時鐘能保持48 h以上，以超級電容器為備用電源的盛帆單相電能表停電后能保持時鐘正常運行240 h以上，盛帆單相電能表及其可更換電容如圖15（a）所示。行車記錄儀為了在主控電源意外掉電后仍能記錄數據，需要內置一個后備電源，如圖15（b）所示。除此之外，當商用收款機突然出現斷電時，需要保證數據的正常通訊與讀寫，并能進行短時間IC讀寫卡的操作過程，這時也需要有超級電容器做后備電源進行掉電保護。

圖15 超級電容器在掉電保護中的應用

2.5 數據存儲領域

在計算機與內存的使用過程中，為防止突然掉電對數據、系統或者硬件產生不利影響，通常在硬件上采用備用電源來進行緩沖。與電池相比，超級電容具有充電時間短、循環壽命長、響應速度快等優勢，在數據存儲領域的掉電保護中的應用越來越廣泛[39]。

在固態硬盤（SSD）、磁盤陣列系統（RAID）、隨機存取存儲器（RAM）中均可采用超級電容器作為備用電源來提供掉電保護[40]。以SSD為例，當主機需要存儲數據到SSD中時，首先會將數據存儲到緩存中，SSD控制器將緩存中的數據寫入閃存中。若在數據存儲過程中發生突然斷電，輕則丟失數據，重則導致SSD文件系統崩潰，導致主機無法識別[41]。若采用了超級電容器作備用電源，可以在SSD突然斷電之后，由超級電容器（圖16）對其進行供電，給SSD控制器足夠的時間將緩存中的數據寫入閃存，進而防止數據的丟失和文件系統崩潰。

圖16 超級電容系統應用在固態硬盤中

3 超級電容器應用中存在的問題

超級電容器憑借其自身獨特的優點，在交通、國防、內存、醫療、工業、電力能源、日常應用等各行各業都得到了廣泛應用。但超級電容作為新興的儲能元件，在應用中還存在需要解決和改善的問題。

3.1 能量密度低限制應用范圍

超級電容器的額定電壓低、能量密度低，導致其所能儲存的能量比較有限，相比于蓄電池存在很大的差距，這是阻礙超級電容器獲得更大范圍應用的主要原因之一。隨著超級電容器的不斷發展，改進超級電容器的制造工藝和技術對其能量儲存能力的提升已逐漸變小。比較行之有效的方法是對超級電容的核心組成材料進行迭代更新，不斷開發出新型的電極材料、電解質材料，或者使用由兩種不同電極材料組成的混合超級電容器[42]。另外，由蓄電池和超級電容器組成的集成系統也取得了較大的成功。電池和超級電容器兩者各自遮蔽了對方的缺點，電池電極具有儲能優勢，超級電容電極具有功率密度優勢，這就形成了一個功率和能量密度更高的系統。

3.2 超級電容器模組中的單體電壓不一致

超級電容器面臨的另一個較大的問題是單體電壓不一致。超級電容單體能量密度和額定電壓低，單體電壓無法滿足系統電壓需求，因此通常需要將超級電容單體進行串并聯組成超級電容組使用[43]。然而超級電容單體性能存在差異，在串聯使用過程中會帶來超級電容端電壓不一致現象。如果出現超級電容過壓、過充的情況，會大幅減少其使用壽命，甚至帶來超級電容永久性損傷和更大的電壓偏離[44]。為了改善單體不一致性問題，一方面可以通過提高同批次成組的超級電容器單體的不一致性檢測能力，將充放電性能最接近的超級電容器分成一組；另一方面可通過使用超級電容器儲能系統的均壓管理系統對各單體電壓進行均衡，及時消除超級電容單體間的電壓差距，使超級電容單體電壓保持在正常穩定的范圍內[45]。

4 結語

超級電容器作為介于傳統電容器和蓄電池之間的新型綠色儲能器件，在過去的幾十年中取得了巨大的發展，在各行各業都取得了廣泛的應用。超級電容器若想取得更加廣闊的應用空間，需要解決其面臨的能量密度低和單體電壓不一致等問題。比如，利用各種技術探索開發新型超級電容器材料，優化單體制作工藝或者開發新型非對稱混合電容器等來提高超級電容器的能量密度；繼續提升超級電容單體及成組模塊性能以及降低生產成本；制訂切實可行的行業標準、國家標準等為超級電容產業的健康發展提供保障等。隨著人類環保意識的提高和傳統燃料價格的上漲，超級電容器的應用將會越來越多，并有望成為未來的理想儲能元件。