國外超級電容器技術進展

劉春娜

國外超級電容器技術進展

劉春娜

由于超級電容器所具有的優異性能(表1，圖1)，近年來得到了廣泛的關注。據MarketsandMarkets最新市場研究報告《按材料、產品、應用和地域劃分的超級電容器市場2013至2020年分析與預測》稱，全球超級電容器市場在2014年至2020年將以復合年增長率(CAGR) 26.93%的速度發展。其中，美洲在營收方面占據該市場主導地位，歐洲在其發表的科學刊物方面占據主導地位，亞洲則大范圍注入資金，以支持混合交通系統。

1 美國研究動態

Maxwell技術公司正在為電力和自動化技術集團ABB公司提供超級電容器，用于費城城際輕軌升級換代，這是ABB近期贏得的合同項目。ABB將為東南賓夕法尼亞州交通局(SEPTA)的城際輕軌系統安裝混合動力型高效ENVILINETM能量回收和存儲系統，為大費城區域提供服務。2012年，ABB曾在SEPTA的一個配電站安裝電池供電的ENVILINE制動能量回收系統，現在將Maxwell的超級電容器用于最新混合設計，以提升能量回收效率，同時延長電池使用壽命。除了能將SEPTA鐵路車輛耗電量降低10%到20%外，該系統還能讓SEPTA為美國電力聯營體(PJM Interconnection Network)提供頻率調節服務。PJM是一個區域性輸電機構(RTO)，負責協調特拉華州、馬里蘭州、密歇根州、哥倫比亞特區等全境或部分地區的電力批發業務。采用超級電容器后，人們可以回收更多制動能量，從頻率調節中獲得更多收入，并延長電池使用壽命。SEPTA模式開創了世界先河，它不僅能夠回收制動能量，而且還可支持快速調節，幫助進一步穩定電網，提高電網效率。電動車和混合動力車使用的制動能量回收系統借助電機產生的阻力制動車輛，把本來會浪費在常規摩擦制動系統上的動能轉換為電能儲存起來，達到節省燃料和電能的目的。超級電容器具有獨特的快速充放電特性，與電池系統相比，每次制動能夠捕捉和存儲更多能量。而電池系統因能力局限，無法在制動車輛的短短數秒內吸收能量。交通運輸是世界上耗能最大的行業，隨著這種具備節能降耗減排效應的系統的開發，為超級電容器技術的長遠發展創造了巨大機遇。目前，Maxwell正在致力于增加電極表面積，提高離子密度，生產出容量更大的超級電容器。

表1 鉛酸電池、超級電容器和普通電容器的性能對比

圖1 超級電容器和電池的對比圖

俄勒岡州立大學的化學家發現，纖維素——地球上最豐富的有機聚合物，樹的一種關鍵組成元素——在加熱爐中氨氛圍下加熱，可以成為超級電容器的構建材料，也就是說，這種成本低、速度快還不破壞環境的方法，將讓樹木在能量存儲設備上扮演重要角色，制作出新型超級電容器。超級電容器作為大功率能量存儲設備，雖然具有廣泛的工業應用，但是其使用一直受限于高質量碳電極的制備困難和高成本。俄勒岡州立大學的研究人員發現的新方法可以低成本、快速、環保地制備氮摻雜的納米多孔碳膜——超級電容器的電極。該方法唯一的副產品甲烷，還可以用作燃料或其他用途。這種碳膜極其輕薄，1克碳膜完全展開面積可達200 m2。研究人員首次證明纖維素可以與氨反應，從而制備氮摻雜的納米多孔碳膜。這不僅可應用于工業上，而且將為研究碳反應過程中的氣體排放開創一個全新的科學領域。他們將把廉價的木材變成一個有價值的高科技產品——納米多孔碳材料。

范德堡大學(Vanderbilt)研究人員提出了一種在硅基超級電容器內儲存電力的新方法，使超級電容器能在短時間內為手機充滿電，這些電量足夠手機工作數周。研究人員提出了全新的超級電容器存儲電力方法，不再將電能以化學反應形式存儲，而是通過在多孔材料表面聚集離子的方式儲存電力，可謂是名副其實的“電池”。這種硅基超級電容器可以在數分鐘內完成充放電，并可以運作數百萬的周期，是普通電池運作周期數的數千倍。這將使由于手機電池容量越來越大伴隨而來的超長充電時間在不久的將來成為歷史。

伊利諾伊大學的科學家最近宣布用超級生物炭可以制造超級電容器。生物炭可以在一種特殊條件下，提高土壤健康。由于自然或人為的力量，如森林火災等，農業廢棄物可以轉化成土壤增壓生物炭。生物炭富含碳材料，具有高孔隙度和細晶粒，可以在營養耗盡后改善土壤，提升水質，并保持土壤活力。在實驗室環境中，生物炭可以通過在低氧氣室中加熱木材或者植物從而獲得。超級電容器與高效力的電池相似，能提供即時和不間斷的電子，在交通、能源和可再生能源中被廣泛應用。它們通常由活性炭通過昂貴的化學方法來保證優質的孔隙度。根據初步測試，研究人員通過使用生物炭能夠產生一種很有前途的替代物，用溫和的硝酸除去雜質從而激活屬性。新材料可以減少超級電容器材料成本，而且還可以大大改進環境，減少高度腐蝕性的化學品，盡量減少能源使用。研究者認為，這種生物碳材料的性能可以和當今先進的碳材料（包括碳納米管和石墨烯）性能相媲美，而且只需要更少的生產和環境成本。

2 其他國家研究動態

寶馬和豐田兩家公司將聯手推出新款雙座混動超跑。這款車與寶馬Z4系列完全不同，將會成為豐田Supra的靈魂繼承者，并且首次采用了性能改善后的超級電容技術。全新超跑將采用前置引擎布局，區別于豐田的FT-1概念車，前者采用四輪驅動系統和源自豐田勒芒LMP1賽車的超級電容混合動力技術，搭載燃油直噴發動機與電動機。這些動力源將形成一個高科技的超級電容混合動力系統，此項技術的獲得及運用來自于豐田公司勒芒LMP1跑車項目。豐田公司在與寶馬的合作中主要負責全新插電式混合動力系統的研發。由于超級電容系統具備比鋰離子電池更快的能量蓄積與釋放速度，因此可以在短時間內為車輛提供更強的加速動力，能保證短期動能續航并提高性能。該超級電容器與現在最新一代鋰電池相比，可以更加迅速地充電，并且比現在的其他儲電容器更輕巧。

韓國目前正在嘗試研發一種使用高效能石墨做成的超級電容器，這種電容器儲存能量的能力和鋰離子電池相差無幾，充電時間卻只需要16 s。在完成10 000次充電后，電容器的初始值只會降低2%。這個項目使用的石墨非常多孔，內表面相當大。韓國三星在石墨烯的制備技術上也獲得突破，有可能將其運用在下一代可穿戴技術上。成均館大學和三星高級研究所已經開發出可以大規模合成石墨烯晶體的技術，該研究可能導致石墨烯在商業或工業領域的規模化生產，將這種單層原子厚度的材料從實驗室帶入實際應用。石墨烯目前研究還處于比較早期的階段，材料的大小受到很大限制，制備起來也十分困難，導致一克石墨烯價值數百美元，但它是迄今為止世界上強度最大的材料。據測算，如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 nm），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂，同時仍保持彈性。同時，石墨烯材料還是一種優良的改性劑，可以用于可穿戴設備等下一代電子材料，在新能源領域如超級電容器方面有巨大作用。

飛利浦在其生產的專業級行車記錄儀ADR800和ADR600上配備了高質量的超級電容組件，以獲得恒久、可靠的性能，從而確保設備能在行車環境中發揮良好性能。該產品在-20～70℃(儲存溫度)都不會發生爆炸，避免引起汽車自燃等安全隱患；同時，這也讓其即使在長時間的陽光照射下，也不會變色變形，并可在高低溫快速切換環境下正常工作。考慮到鋰電池在過熱或過冷的情況下會發生變形甚至爆炸，影響到行車安全，飛利浦特別選用了更加安全的超級電容而非鋰電池，并且不配備用電池，最大程度提升使用安全性。

由歐盟第七研發框架計劃（FP7）提供全額資助、瑞典查爾姆斯理工大學領導的歐洲AUTOSUPERCAP研發團隊研究出一種利用最新的石墨烯材料技術的創新型大功率超級電容器。這種電容器可在數秒鐘內完成充電，能夠讓筆記本電腦至少工作一個月。這種新產品相對傳統的蓄電池可儲存更多的能量和使用更長的時間，并具有更小的體積和質量。這為目前可再生能源的持續發展和有效利用解決了三大難題：首先，有效降低了能源儲存的成本；其次，解決了電動汽車每行駛幾百公里需要停下來進行數小時充電的尷尬；最后也是最重要的，清除了風力發電或太陽能發電的最主要缺陷，能夠存儲更多的電能。

伊朗科研人員用石墨烯納米薄片成功設計和制造出可調整電導率的導電纖維。這項研究旨在探討用石墨烯納米薄片在織物表面創建導電涂層的可行性，并對影響織物導電性的各種參數進行研究。結果表明，還原劑對涂覆石墨烯織物的導電性影響相當大，對織物的導電性隨石墨烯氧化液濃度或涂層變化次數調整也有明顯影響。涂覆極薄石墨烯層的涂層對織物表面形貌的影響微乎其微。涂覆石墨烯層的織物用來生產超級電容器等柔性電子器件，將使超級電容器具有更好的性能。

3 前景

近日，有關“超級電容有可能將取代鋰離子電池”的消息不脛而走，雖然也有專家認為這只是個噱頭，但是不可否認，近年來由于得到國家節能減排政策的大力扶持，超級電容行業也如雨后春筍般成長起來。全球超級電容器市場目前處于蓬勃發展的階段，不僅在新能源發電、智能電網、新能源汽車、節能建筑、工業節能減排等各個行業已經得到應用，而且在眾多行業垂直部門仍擁有巨大潛力。在超級電容器產業鏈中，上游為精細化工行業，產品屬電化學專項產品，具有品種多、專用性強、專業跨度大的特點，行業進入難度較高。中間生產制造環節工藝較為復雜，屬于偏資本密集的行業。下游應用面廣，市場前景非常廣闊。超級電容器的用途決定了其戰略價值，我國經濟結構調整的深入及產業扶持政策的出臺，將大大促進該戰略性產品上下游產業鏈的發展。技術層面，基于石墨烯擁有眾多優良特性，例如超高導電性能和巨大的比表面積，石墨烯基材料已在超級電容器應用中展現出巨大的應用潛力。資料顯示，石墨烯作為電極制成的超級電容器將在性能上有極大的提高，未來石墨烯超級電容器將迎來巨大的市場空間。