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，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)一個涉足此領(lǐng)域并獲得成功的例子。另外一部分廠商則堅信，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，曾用好幾年的時間將大量財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)用方面上升到一個新的臺階。

當(dāng)時，EEStor爭取到了巨額的研發(fā)資金，還與電動汽車電機(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，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集市，交易金額將高達(dá)51億美元。超級電容器就是這個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，智能啟停控制系統(tǒng)(輕型混合動力系統(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，智能啟停控制系統(tǒng)可暫停發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，并將制動過程中產(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，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)動傳送帶，直接帶動發(fā)動機(jī)工作;

這樣，整個啟停過程，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)前的混合動力汽車、插電式混合動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力電池的角色，既可起到緩沖作用，又可延長主動力電池的壽命，同時還可增強(qiáng)充放電效果。但是，造價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?，但目前還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，內(nèi)部的渦輪機(jī)就會將扇葉調(diào)整到指定位置，這個過程在風(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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