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超级电容器产业化脚步加快 市场前景广阔







国际电气电子工程师学会高级会员 于凌宇 
 

  编者按:超级电容器作为一种新型储能装置,具有显著的特点和优势,可以在某些领域取代传统蓄电池,在节能环保日益成为主题的今天,它的应用越来越引起世界各国的重视。

  超级电容器产业化受到各国重视

● 美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位
● 国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家,能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家

在超级电容器的产业化方面,美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位。如美国的Maxwel,日本的Nec、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等,这些公司目前占据着全球大部分市场。国外主要的生产企业有:美国的Maxwell公司,俄罗斯的Econd公司、Elit公司,日本的Elna公司、Panasonic公司、Nec-Tokin公司,韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek公司等。
美国、日本、韩国等国家一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器。在超级电容器的研究中,许多工作都是开发在各种电解液中有较高比能量的电极材料。目前应用于超级电容器的材料主要有碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料三种。
国外研究超级电容器起步较早,技术相对比较成熟。它们均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目,提出了近期和中长期发展计划。俄罗斯的Esma公司是生产无机混合型超级电容器的代表,然而,Esma公司目前还没有形成规模生产能力。此外,俄罗斯的Elit公司、法国的Saft公司、美国的Cooper公司、日本的Nec公司和松下公司也投入巨大资金对大容量超级电容器进行规模化生产的研究。
2007年,全球纽扣型超级电容器产业规模为10.2亿美元,卷绕型和大型超级电容器产业规模为34.8亿美元,超级电容器产业总规模为45亿美元,同比增长45%%;预计2008年全球纽扣型超级电容器产业规模为15.3亿美元,卷绕型和大型超级电容器产业规模为52.2亿美元,超级电容器产业总规模为67.5亿美元,同比增长50%%。
近年来,由于看好这一领域广阔的应用前景,中国一些公司也开始积极涉足这一产业,并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。
国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家,然而,能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。上海奥威科技开发有限公司开发的“车用超级电容器”,在技术水平上较为先进。通过与国外厂商产品对比,奥威产品与国外同类产品的电性能和物理性能较为接近,某些性能已经超过了国外同类产品。总体上看,该公司的产品已达到了同类产品的国际先进水平。
目前,国内厂商大多生产液体双电层电容器,重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂,主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。据称,国产超级电容器已占有中国市场60%%-70%%的份额。
除此之外,国内也有其他数家超级电容器供应商,如哈尔滨巨容新能源公司等等,这些公司均是近两年成立,并在各自擅长的领域进行产品研发或产品市场推广工作。同时,国内的江西、江苏、河南、陕西和天津等省市也纷纷出台相关政策,支持本省市企业积极进军超级电容器这种新兴的储能元件市场,如中国电子元器件百强之一的江西信达电子公司也正在寻求合作伙伴,以期共同进行超级电容器的生产。
2005年,中国超级电容器产业总规模达到3.9亿元,较2004年的2.48亿元增长57.2%%,其中,纽扣型超级电容器为4000万元,卷绕型和大型超级电容器为3.5亿元;2006年产业总规模达到5.7亿元,增速高达46.2%%,其中,纽扣型超级电容器市场规模为9000万元,卷绕型和大型超级电容器为4.8亿元;2007年产业总规模达到8.6亿元,增速高达50%%,其中,纽扣型超级电容器市场规模为1.4亿元,卷绕型和大型超级电容器为7.2亿元;预计2008年产业总规模可达13.3亿元,增速可达55%%,其中,纽扣型超级电容器市场规模可达2.1亿元,卷绕型和大型超级电容器市场规模可达11.2亿元。
由于新兴公司不断涌现,超级电容器在国内的大规模应用也渐行渐近。国内供应商正积极地从不同角度来应对规模应用所面临的问题。
提高产品的安全性也为供应商所重视。特别是在大功率应用方面,国内某家超级电容器公司的高层指出,在安全性问题上,超级电容器虽然可能发生内部短路,但他指出,只要每个超级电容器都配备电路管理系统,就可及时发现问题并及时解决问题。
在克服大功率应用超级电容器一次性投入成本较高的问题上,国内供应商也在提高其性价比方面积极努力。以铅酸蓄电池为例,目前一般可充放电5000次,但超级电容器理论上的充放电次数可达数万次乃至数十万次,就实际水平而言,国内厂商中上海奥威科技的超级电容器已经可以实现充放电20000次。这样一来,如果超级电容器在使用寿命上是蓄电池的4-5倍,而价格却仅为其3倍左右的话,就可以体现出更具竞争优势的性价比来。







#p#副标题#e#市场需求有巨大潜力

● 由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点,有希望成为本世纪新型的绿色能源
● 目前中国市场的年需求量可达2150万只,约1.2亿瓦时,且每年都在以约50%%的速度增长

21世纪,随着全球气候变暖,资源缺乏,全世界各个国家和地区都在研发新的绿色环保型能源,而超级电容器生产所用的材料普遍为绿色环保。因此,超级电容器作为本世纪重点发展的新型储能产品之一,正在为越来越多的国家和企业争相研制和生产。10年前,超级电容器每年只能卖出去很少的数量,而且价格很贵,大约1美元-2美元/法拉,现在,超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场,价格也大大降低,平均0.01美元-0.02美元/法拉。
高端的多功能三相电能表由于数据存储量大于普通电能表,而传统的锂电池会出现没电的状况,从而导致了超级电容器在电能表上的应用。同时,随着需要存储与备份的重要数据的增加,最早采用0.1F的电容就能完成数据存储的任务,如今已需要0.22F或0.33F才能完成,一只表上甚至要用到3~4只超级电容器。由此可以看出,仪表行业的新发展有力促进了超级电容器产业的发展。
由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点,有希望成为本世纪新型的绿色能源。因此,由于受需求和利润的驱使,中国厂商纷纷推出产能扩张项目,产品也更加全面,产能正节节攀升。即使如此,由于目前国内能规模生产的厂家较少,国内年供应量不到500万只,这样的生产规模远远无法满足国内市场的需求,所以国内大多数用户还是通过进口来满足需要。在市场需求迅速增长的强力推动下,国内现有的超级电容器生产企业正积极融资扩产,国际超级电容器生产大鳄也把战略投资的目光锁定中国,而相关的生产企业(如铝电解电容器生产企业)也正跃跃欲试准备介入这一新兴市场。目前在广东、深圳有数十家代理商在经销国外品牌的超级电容器,而同样规格指标要求的国外电容器的价格平均要高出国内价格的2/3左右,国内不能批量生产的型号其价格更是高得离奇。
在纽扣型超级电容器市场中,海外产品几乎占据了90%%以上的份额,竞争异常激烈。中国厂商正采取替代手段,利用低价策略(约为国外产品的40%%—60%%)、快速供货、完善销售布局、对中国终端应用市场更加熟悉、技术支持与服务优于国际品牌等各种优势来争夺市场。目前在卷绕型和大型超级电容器方面,中国产品的技术水平与国际接近,市场份额较为理想。
业内专家预测,目前中国市场的年需求量可达2150万只,约1.2亿瓦时,且每年都在以约50%%的速度增长;整个亚太地区的年需求量超过9000万只,约5.4亿瓦时,增长速度约为90%%;全球的年需求量约为2亿只,约12亿瓦时,增长速度约为160%%。由此可知,市场前景非常广阔。美国市场研究公司Frost&Sullivan发布的一份报告预计,2002年到2009年之间,全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%%和49%%的年复合增长率保持高速增长。目前,超级电容器占世界能量储存装置(包括电池、电容器)的市场份额不足1%%,在我国所占市场份额约为0.5%%,因此超级电容器存在着巨大的市场潜力。

#p#副标题#e#新技术应用崭露头角

● 超级电容器在需要更高效更可靠电源的新技术领域中逐渐崭露头角
● 超级电容器在混合能源汽车尤其是电动客车中的作用尤为巨大

正因为超级电容器的许多显著优势,在汽车(特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆)、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力,因而被世界各国所广泛关注。
电能和燃油的紧缺使人们开始寻找更多的替代能源,作为目前替代能源应用领域的一个极佳的技术解决方案,超级电容器在需要更高效更可靠电源的新技术领域中逐渐崭露头角。
超级电容器存储的能量在电动汽车中主要可以通过三种方式来使用:1.它能够向汽车电气系统馈电,减轻车载发电机的负担;2.起纯粹的增强作用,也就是说,在换挡时,增大电动机的扭矩,提高加速度;3.启动辅助,使电动机从某个固定的状态启动加速汽车。这在某些需要反复启停的特殊操作中能够大大节省能源。
超级电容器在混合能源汽车中所起的作用是十分重要的。随着能源价格的不断上涨,以及欧洲汽车制造商承诺在1995年到2008年之间将汽车CO
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的排放量减少25%%,所有这些都大大促进了混合能源技术的发展。宝马、奔驰和通用汽车公司已经结成了一个全球联盟,共同研发混合能源技术。新技术中有很多应用将使用替代能源。例如太阳能、风能或者燃料电池。但是由于能量来源本身的特性,决定了这些发电的方式往往具有不均匀性,电能输出容易发生变化。随着风力和太阳光强度的变化,这些能源产生的电能输出也会发生相应的变化。这就需要使用一种缓冲器来存储能量。
在上述使用替代能源技术的汽车中,超级电容器是一种新型的关键部件。在采用燃料电池供电的汽车中,如果结合使用超级电容器,那么燃料电池就可以满足持续供电需求,而不仅仅是峰值供电。除了能够满足峰值供电的需求外,超级电容器还具有其他元件无法比拟的响应时间。将超级电容器的强大性能和燃料电池结合起来,可以得到尺寸更小、重量更轻、价格更低廉的燃料电池系统。
超级电容器还可以与氢燃料电池完美结合,使正处于研发阶段的氢燃料电池能够应用于多个领域。氢燃料电池与风能或太阳能不同,只要有氢燃料,它就能够持续输出稳定的电能。然而,在某些应用场合,对能量的需求随着时间的变化有很大不同。汽车就是一个直接的例子,因为它们在加速过程中需要的能量比匀速行驶时要高得多。如果没有能量存储器,氢燃料电池就要做得很大,以满足最高的峰值能量需求,其成本就会大得无法忍受。通过将过剩的能量存储在能量存储器中,就可以在短时间内通过存储器提供所需的峰值能量。
超级电容器在电动客车中的作用尤为巨大。鉴于无轨电车架空线的“视觉污染”以及“机动性差”、“规划困难”三大难题,致使无轨电车在我国日益遭遇冷落,一些城市相继实施“电改汽工程”,缩减电车规模,有的则干脆将线网拆除。但由于石油紧张和汽车尾气排放带来的能源危机和环境污染问题日益凸现,使用汽车也非理想选择,致使城市公共交通的发展陷入了两难的尴尬境地。
而超级电容公交电车的出现,有效解决了这一难题。超级电容器已成为改善传统电车缺陷,发挥其零排放、节能、低成本、低噪音等优点的一种先进的储能装置。超级电容公交电车是以超级电容器为动力电源的新型节能电车,车辆保持了无轨电车的优点,没有任何排放,同时无轨无线,完全满足了现代化绿色环保公交的需要。
新能源汽车是全球汽车行业重点关注的领域,超级电容是其要害部件。尽管超级电容诞生的时间不长,国际上对这项新技术的研究还处于探索阶段,关键性能指标还有待进一步提升。然而,我国却在超级电容公交电车的应用方面领先一步。
2006年8月28日,上海11路超级电容公交电车,即“上海科技登山行动计划超级电容公交电车示范线”投入运营,在实际应用领域走在了世界前列。该车采用上海奥威科技公司开发的具有完全自主知识产权的超级电容器。因此,国产超级电容器受到了国内外同行的广泛关注。
运营中的超级电容客车,整体布局与申沃柴油客车基本相同。驾驶操作区的仪表台也与普通客车没什么差别,只是仪表台正中的一块液晶显示屏,显示出此车的与众不同。该车单车实际耗电每公里0.88千瓦时,比普通无轨电车节能60%%,比设计标准节能20%%。每百公里收益比普通电车提高70%%,经济效益大大高于燃油客车。这种零排放且没有像铅酸蓄电池那样对环境造成二次污染的新能源客车,前景十分看好。
尽管目前超级电容客车价格比普通公交车高一些,但随着应用范围的逐步扩大,工艺技术的不断改进,生产成本的日益减少,进入大规模产业化生产阶段后,价格还可以大幅度下降。再者,还可以对该车的重量、体积、底盘结构以及各关键部件的匹配进行系统优化,从而进一步降低单车成本。由此可以预言,为期不久,质优价廉的新能源客车一定能够迅速普及。而且,随着技术的不断改进和日趋成熟,绿色环保的新能源轿车和新能源货车也会大批涌现,多种类大批量的电动车辆必将在中国大地及世界各地承载希望驶向未来,超级电容器也必将具有更加广阔远大的市场前景。

#p#副标题#e#新型储能装置具有超级储电能力 

● 超级电容具有电阻很小、寿命超长、安全可靠储能巨大、充电快速的特点
● EEStor开发的超级电容器,存储能量的能力大大提高

  超级电容器有多方面优势

超级电容器又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容、法拉电容、电化学电容器或双电层电容器(英文名称为EDLC,即ElectricDoubleLayerCapacitors),是靠极化电解液来储存电能的新型电化学装置。它具有电阻很小、寿命超长、安全可靠、储能巨大、充电快速的特点。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件,其批量生产不过几年时间。世界著名科技期刊美国《探索》杂志2007年1月号,将超级电容器列为2006年世界七大技术发现之一,认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展,并将在某些领域取代传统蓄电池。
超级电容之所以有巨大的电容量,是由于电容是以将电荷分割开来的方式储存能量的。储存电荷的面积越大,电荷被隔离的距离越小,电容量越大。超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的,这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容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。一个超级电容单位的电容值,可以从一法拉至几千法拉。
超级电容作为一种新型储能装置,具有超级储电能力。在储能机理上,它是高度可逆的,寿命很长,可以千万次反复地冲、放电,而且具有很大的电流,此外具有很宽的电压范围和工作温度范围。它兼具传统电容器的大电流快速充放电特性与电池的储能特性,填补了普通电容器与电池之间比能量与比功率的空白,其放电比功率较蓄电池高近十倍,弥补了铝电解电容和可充电电池之间的技术缺口,同时又克服了两者的缺陷,既具有电池的能量贮存特性,又具有电容器的功率特性,它比传统电解电容器的能量密度高上千倍,可达1000W/kg数量级,而漏电流小数千倍。它具有高至数千法拉甚至上万法拉的超大电容量,储电能量大、时间长;能够瞬间释放数百至数千安培电流,大电流放电甚至短路也不会对其有任何影响;可充放电10万次以上而不需要任何维护和保养,寿命长达十年以上。它可用于以极大电流瞬间放电的工作状态,而不易产生发热着火等现象;充电时间很短,可在几秒之内完成,是一种理想的大功率二次电源。它可在极低温等极端恶劣的环境中使用,并且无环境污染,具有安全可靠、适用范围宽、绿色环保、易维护等特点,是改善和解决电能动力应用的突破性元器件。

新材料催生高端新产品

从结构上看,超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成,其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响,采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。
2007年1月16日,美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置,名为EEStor的公司打破沉默,对外宣告了他们“里程碑”式的成果:他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收,其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化,纯度达到了99.9994%%。
这一技术一旦进入成熟的工业生产,他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。人们最初怀疑EEStor公司这一成果的可信度,但现在看来,他们还真不太像是在“吹牛”。按照2006年4月发表的专利,EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说,它并不是电池,而是一种超级电容器,它在5分钟内充的电能可以让一个电动车走500英里,电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元。
与传统的电化学电池相比,超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电,换句话说,超级电容器没有“记忆”。但是,一般的超级电容器也有其弱点,就是能量存储率有限,今天市场上的高端超级电容器每0.4536千克的存储能量只有锂电池的1/25。
而EEStor开发的超级电容器,由于钡钛酸盐有足够的纯度,存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人声称,该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时,相比之下,每公斤锂电池是0.12千瓦时,铅酸电池只有0.032千瓦时,这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。好的铅酸电池能充电500~700次,而根据EEStor的声明,新的超级电容器可反复充电100万次以上,也不会出现材料降解问题。而且,由于它不是化学电池,而是一种固体状态的能量储存系统,不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险,没有安全隐患。
有评论说,这一发明的意义相当重大,该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置,也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能,增进了电网的效率和稳定性,满足人们能源安全的需求,减少对石油的依赖。显然,该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示,他们的技术不仅适用于小型旅客电动车,还可能取代220500瓦的大型汽车。

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超级电容器的工艺及结构


超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳,碳电极材料的表面积很大,电容的大小取决于表面积和电极的距离,这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离,使超级电容器的容值可以非常大,大多数超级电容器可以做到法拉级,一般情况下容值范围可达1-5000F。
超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。在超级电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成双集电层。超级电容器的工艺流程为:配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。


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