超級電容器研究國世界分布圖

超級電容器在新能源領(lǐng)域并不是一個(gè)陌生的名詞。實(shí)際上，超級電容器已在該領(lǐng)域歷經(jīng)了幾十年的坎坷，雖然它的應(yīng)用形式同電池不同，但在實(shí)際應(yīng)用上卻總被電池取代，此外還面臨成本高、技術(shù)難度大的劣勢。然而，超級電容器在技術(shù)上一旦取得突破，將可對新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動(dòng)力。因此，盡管研發(fā)過程困難重重，但攻克它的意義卻很重大。

超級電容器的尷尬現(xiàn)狀

超級電容器從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷程。目前，微型超級電容器在小型機(jī)械設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，例如電腦內(nèi)存系統(tǒng)、照相機(jī)、音頻設(shè)備和間歇性用電的輔助設(shè)施。而大尺寸的柱狀超級電容器則多被用于汽車領(lǐng)域和自然能源采集上，并可預(yù)見在該兩大領(lǐng)域的未來市場上，超級電容器有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?

超級電容器”全家?！?

使用壽命久、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、高充放電效率、高能量密度，這是超級電容器的四大顯著特點(diǎn)，這也使它成為當(dāng)今世界最值得研究的課題之一。目前，超級電容器的主要研究國為中、日、韓、法、德、加、美。從制造規(guī)模和技術(shù)水平來看，亞洲暫時(shí)領(lǐng)先。

然而，超級電容器的研發(fā)工作一直籠罩在電池(主要為鎳氫電池、鋰電池)的陰影之下。鎳氫電池和鋰電池的開發(fā)因?yàn)榭梢垣@得來自政府和大投資商的巨額資金支持，技術(shù)交流獲得極大推動(dòng)，也更容易聚焦全世界的目光。相比之下，超級電容器卻很難得到雄厚的資金支持，技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展也就受到很大程度地制約。另外，超級電容器成本高、能量密度低的現(xiàn)狀也與鋰電池形成鮮明對比，這使它在很多領(lǐng)域備受冷落。

先驅(qū)EEStor公司勇于挑戰(zhàn)卻慘遭敗北

盡管超級電容器已發(fā)展多年，但實(shí)際生產(chǎn)廠家的數(shù)量卻少得可憐。一部分廠商面對超級電容器技術(shù)上發(fā)育不完全的現(xiàn)狀，不敢輕易投資，采取觀望策略，期待市場能出現(xiàn)一個(gè)涉足此領(lǐng)域并獲得成功的例子。另外一部分廠商則堅(jiān)信，只要超級電容器的生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)大幅下降，僅以當(dāng)前它的快速充放電特性，就可實(shí)現(xiàn)快速普及。美國超級電容器生產(chǎn)商EEStor就屬于后者。

上世紀(jì)90年代，美國超級電容器生產(chǎn)商EEStor為改變超級電容器的市場現(xiàn)狀，曾用好幾年的時(shí)間將大量財(cái)力物力投向如何提高超級電容能量密度的研發(fā)上，期望能通過自身技術(shù)讓超級電容器在生產(chǎn)和應(yīng)用方面上升到一個(gè)新的臺階。

當(dāng)時(shí)，EEStor爭取到了巨額的研發(fā)資金，還與電動(dòng)汽車電機(jī)提供商ZENN公司達(dá)成了戰(zhàn)略合作。然而，多名參與此項(xiàng)研究的科學(xué)家最后得出了令人遺憾的結(jié)論：我們很想打破超級電容器的市場僵局，但現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。世界超級電容器先驅(qū)之一————EEStor，在領(lǐng)域內(nèi)建立的里程碑式研發(fā)項(xiàng)目最終以失敗告終。

超級電容與電池拉平差距的機(jī)會

盡管超級電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少，但這項(xiàng)技術(shù)依然不能在運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集方面擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。相比電池領(lǐng)域，超級電容器的技術(shù)過于落后，想要縮小兩者在研發(fā)方面的差距，首要任務(wù)應(yīng)解決如下問題：

■ 增加超級電容器生產(chǎn)廠商數(shù)量，通過市場競爭的手段刺激相關(guān)技術(shù)的研發(fā);

■ 擴(kuò)大高比功率超級電容器的生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)突破百萬件的年生產(chǎn)量;

■將超級電容器當(dāng)前的制造成本降低50%;

■ 擬定一個(gè)超級電容器可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，主要針對更高效電極材料的探索。

要達(dá)到上述目標(biāo)需要廠商對超級電容器市場有一個(gè)逐年上升的投資力度，主要用于在設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)兩方面。與此同時(shí)，政府?dāng)U大資金和技術(shù)支持也將起到至關(guān)重要的作用。

超級電容器的可預(yù)見性未來

毋庸置疑，超級電容器憑借自身使用壽命久、高充放電效率等顯著特點(diǎn)，只要找準(zhǔn)自身發(fā)展的合適土壤，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?

就未來十年的發(fā)展而言，超級電容器將是運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集的重要組成部分，其中，用于裝配在啟停系統(tǒng)車輛的超級電容器，將成為其在未來的主要銷售渠道，預(yù)計(jì)在2016年的全球市場將達(dá)到2.7億美元，2020年將超過3.5億美元

2011-2016超級電容器在啟停系統(tǒng)汽車和能量存儲方面銷售額

在運(yùn)輸行業(yè)中，新能源汽車工業(yè)已成為當(dāng)今最熱門的話題之一。作為汽車領(lǐng)域的高新技術(shù)，新能源汽車要盡可能保持同傳統(tǒng)汽車相同的性能，還要減少對石油等有限資源的使用量，這是其問世的根本目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必然需要用于儲存能量的借助輔助設(shè)施來實(shí)現(xiàn)，而超級電容器就是其中一個(gè)重要的組成部分。

今天，全世界各行各業(yè)都在享受自然能源發(fā)電帶來的益處。未來，自然能源應(yīng)用市場巨大，其中，輔助設(shè)施必然是這一市場中的一個(gè)集市，交易金額將高達(dá)51億美元。超級電容器就是這個(gè)集市上的一類重要商品。

1. 超級電容器和節(jié)能與新能源汽車

在汽車工業(yè)中，智能啟?？刂葡到y(tǒng)(輕型混合動(dòng)力系統(tǒng))的應(yīng)用為超級電容器提供了廣闊的舞臺，充分體現(xiàn)出超級電容器性能上的優(yōu)越性，其中在插電式混合動(dòng)力汽車上的表現(xiàn)尤為突出。

這里，想補(bǔ)充說明一下汽車智能啟停控制系統(tǒng)的工作原理，大致如下：

1.當(dāng)汽車在減速或短停車時(shí)，智能啟停控制系統(tǒng)可暫停發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能儲存在電容器里;

2.當(dāng)汽車再次前進(jìn)時(shí)，電容器則將剛剛儲存起來的電能瞬間輸出給智能啟?？刂葡到y(tǒng)中的電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傳送帶，直接帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作;

這樣，整個(gè)啟停過程，汽車沒有油耗，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。其中，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電的儲能設(shè)備就是關(guān)鍵。因此，具有此特性的超級電容器成為最佳選擇，也是智能啟?？刂葡到y(tǒng)最重要的組成部分。

汽車智能啟?？刂葡到y(tǒng)工作原理圖

2011-2015智能啟停車輛年銷售量

然而，當(dāng)前的混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車以及燃料電池汽車都配備了用來儲存能量的電池，因此，超級電容技術(shù)想介入新能源汽車領(lǐng)域，還需要一段很長的發(fā)展過程。從目前來看，超級電容器可扮演輔助主動(dòng)力電池的角色，既可起到緩沖作用，又可延長主動(dòng)力電池的壽命，同時(shí)還可增強(qiáng)充放電效果。但是，造價(jià)高和能量密度低的劣勢讓這一輔助設(shè)備的開發(fā)無法順利進(jìn)行。盡管汽車制造商們明白超級電容器在能量領(lǐng)域里有極高的發(fā)展?jié)摿Γ壳斑€無法脫離對鎳氫電池和鋰電池的依賴。

如果政府將尾氣排放列為需優(yōu)先解決的問題，并提供資金支持，在一定程度上能夠推動(dòng)部分廠商參與超級電容器的研發(fā)。

2. 超級電容器涉及的其他領(lǐng)域

在自然能源采集領(lǐng)域里，風(fēng)力發(fā)電目前的工作流程還離不開液壓系統(tǒng)或電池。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的扇葉每次停下時(shí)，內(nèi)部的渦輪機(jī)就會將扇葉調(diào)整到指定位置，這個(gè)過程在風(fēng)力發(fā)電中被稱為變漿距控制系統(tǒng)，運(yùn)作過程中所需的電能就是通過液壓系統(tǒng)或電池來提供的(限于篇幅，液壓系統(tǒng)相關(guān)知識不會出現(xiàn)在本報(bào)告中)。對于電池來說，間歇性工作強(qiáng)度大，再加上常年的負(fù)荷，會導(dǎo)致自身使用壽命大打折扣。為此，工程師們每隔幾年就會對每一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行一次”高空作業(yè)”，電池的維修和更換也是一筆不小的費(fèi)用。大功率超級電容器利用其充放電快，循環(huán)壽命長的特點(diǎn)，可以代替電池勝任此工作，雖然前期投入成本高，但是相比頻繁維護(hù)和更換電池，費(fèi)用還更低廉一些，同時(shí)還可降低工作強(qiáng)度?？删同F(xiàn)實(shí)而言，超級電容器還沒有作為炙手可熱的輔助設(shè)備滲透進(jìn)這個(gè)能量網(wǎng)絡(luò)。不過，未來超級電容器將被廣泛應(yīng)用的事實(shí)是不容置疑的。

超級電容器在汽車之外其他方面的應(yīng)用

不同種類和尺寸的超級電容器可在不同領(lǐng)域發(fā)揮作用。大尺寸超級電容器(125伏)可用在火車和地鐵的剎車制動(dòng)系統(tǒng)上，亦可為物料搬運(yùn)工程車提供能量輸出;由于具備可在高溫下工作的特性，中等尺寸超級電容器(75伏)可用在太陽能能量收集方面;小尺寸超級電容器(2.7伏之內(nèi))則對通訊設(shè)施的持續(xù)供電和電腦內(nèi)存系統(tǒng)儲存后備電源等有極大貢獻(xiàn)。

2.5-2.7V超級電容器

用于汽車的48V超級電容器

125V大功率超級電容器

通過超級電容器在上述設(shè)備上的應(yīng)用，不難看出其在能量存儲方面同電池以及其他儲能設(shè)備還是具有可比性的。因此，在”次級”市場的銷售方面，預(yù)計(jì)超級電容器2013年銷售額可以達(dá)到500萬美元，2016年則可增加到1500萬美元。

工程師們致力開發(fā)”超級電池”

電池與超級電容器各有利弊，為了集兩者的優(yōu)點(diǎn)于一身，工程師們試圖發(fā)明兩者的混合體--”超級電池”(battery-ultracapacitor)。超級電池的主要特點(diǎn)為：低成本、高能量密度、高能量存儲、循環(huán)使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。而工程師們的首要任務(wù)是要攻克高能量密度這一關(guān)口，因?yàn)橐坏┙鉀Q了能量密度這一難題，超級電池就可替代高成本、大功率超級電容器在運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集方面的應(yīng)用。

將理想中的超級電池呈現(xiàn)給世人，這個(gè)過程必然是漫長的。但是，一些公司已經(jīng)加入到研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的隊(duì)伍中，并且已經(jīng)生產(chǎn)出了超級電池的雛形。雖然起步階段的超級電池循環(huán)壽命短、能量密度低，但相比超級電容器坎坷的成長經(jīng)歷，超級電池的未來要明朗得多。

( 編輯/姜蒙 )

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