超级电容器正在成为储能领域新的蓝海市场

电子发烧友网报道（文/黄山明）电容器，超级成为储顾名思义是电容一种能够将电能储存在电场中的电子元器件，这种产品几乎存在于所有的器正电子设备中。但普通的领域蓝海电容器如何才能做到储存更多的电能呢，为此开发者们做了许多努力，市场比如更换不同的超级成为储电介质，或将电容做成堆叠的电容薄片等，但都无法让电容器的器正电容值实现量级上的突破。

而超级电容器的领域蓝海出现，不仅解决了电容值的市场问题，甚至有望推动储能的超级成为储技术发展。

超级电容器的电容发展

所谓超级电容器，就是器正一种介于传统电容器和电池之间的电化学储能装置。它具有比传统电容器更高的领域蓝海能量密度，同时又能像电容器一样快速充放电，市场并且循环寿命长、功率密度高。

超级电容的正负极材料主要为活性炭，其燃点高达350℃，燃烧速度较慢。并且活性炭密封在超级电容单体内部，让其安全性进一步提升。

超级电容器通常有双电层电容和法拉第准两种工作原理。在双层电容下，当电极浸泡在电解液中时，在电极和电解液的界面会形成双电层。

以活性炭为例，其丰富的孔隙结构提供了巨大的表面积。在充电时，电解液中的阳离子会向带负电的电极表面聚集，而阴离子会向带正电的电极表面聚集，这些离子在电极表面附近形成紧密的电荷层，就像电容器的两个极板一样储存电荷。这种电荷的存储是基于静电吸附作用，没有发生化学反应。而放电过程则是相反的，离子离开电极表面，使得存储的电荷释放出来，为外部电路提供电能。

法拉第准电容下，有些超级电容器的电极材料（如金属氧化物、导电聚合物等）在充放电过程中会发生快速可逆的氧化还原反应。

比如，对于氧化钌（RuO₂）电极材料，在充电时，RuO₂表面会发生反应：RuO₂ + H₂O + e⁻→RuOOH+OH⁻，电子的转移使得电荷存储在电极材料中。放电时，反应逆向进行，释放出存储的电子，从而为外部电路提供电能。这种基于氧化还原反应的电荷存储方式，使得超级电容器的电容值比单纯基于双电层电容的要高，进一步增加了其储能能力。

在18世纪中叶，荷兰莱顿大学马森布罗克与德国冯・克莱斯特研制出莱顿瓶，被公认为是所有电容器的原型。1879年，亥姆霍茨发现界面双电层现象，并提出了双电层理论，为超级电容器的发展奠定了理论基础。

1969年，Sohio公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化。1979年，日本NEC公司开始生产超级电容器，次年的1980年，NEC/Tokin公司与松下三菱公司率先实现超级电容器的商业化生产。

2007年1月，美国《探索》杂志将超级电容器列为 2006 年世界七大科技发现之一，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。

近年来，随着纳米技术、材料科学等相关领域的不断进步，超级电容器的性能得到了显著提升。新型电极材料如石墨烯、碳纳米管等的应用，使得超级电容器的能量密度和功率密度有了较大提高。未来有望实现更高的能量密度、更低的成本和更长的使用寿命，从而在能源存储市场中占据更重要的地位。

储能市场中的超级电容器

近年来，随着新能源汽车、智能电网等下游应用领域的需求推动，超级电容器市场规模呈现快速增长态势。2023年全球超级电容器市场规模约21亿美元，中国市场规模约30.5亿元，且预计未来仍将保持较高的增长率。

而超级电容器在储能市场中有着巨大的发展潜力，一个是可以替代许多传统电池的工作。如今的电动汽车，大多采用可充电锂电池，充电速度缓慢，而超级电容能够实现快速充电，仅需10秒到10分钟就能够完成充电。

同时，在需要频繁快速充放电的场合中，超级电容器表现出色，如电动汽车的加速和制动能量回收，在这个过程中，超级电容器可以在瞬间提供或吸收大量功率。还用于电网的调频、调压，能够快速响应电网功率变化，维持电网稳定。

此外，常见的锂电池，其循环寿命通常在2000-4000次左右，并且循环次数越多，其电量存储的也越少，这就导致使用几年后必须进行电池更换。

而超级电容的循环寿命达到了50万至100万次，使用年限可以到10年以上。像工业领域的起重机械、电梯势能回收等设备，由于需要长期反复使用，超级电容器的长循环寿命优势凸显，可有效降低设备的维护成本。

并且常见的电容器其电容单位往往是pF或μF，超级电容储存的电容量可以达到F级。如果一个电容为5F的超级电容，在加上两个市面中长江的7号电池的电压（3V左右），那么这个超级电容储存的电荷量将达到15C，相当于一道闪电。

因此，超级电容器也非常适用于太阳能、风能等清洁能源的储能。并且由于超级电容器本身采用碳材料，而不是常见的蓄电池，也不会造成重金属污染等问题，加上长寿命等特点，有望在碳中和的未来占据重要地位。

当然，超级电容器在技术上还有一些难点需要解决，例如超级电容器的功率密度虽然很高了，但与传统电池相比，其功率密度仍然较低，这限制了其在一些需要长时间、大量能量供应的场景中的应用。

并且超级电容器存在一定的自放电现象，导致其在长时间存储后电量会有一定程度的损失，影响了其实际使用效能。目前虽然有一些表面处理等方法可以治标，但由于对自放电研究还不够深入全面，还无法从根本上解决这一问题。

电极材料也是影响超级电容器性能的关键因素之一。目前常见的碳材料、金属氧化物、导电聚合物等电极材料，在比表面积、导电性、稳定性等方面还存在不足。开发新型电极材料，如石墨烯、碳纳米管、MXene等，虽然取得了一定进展，但在大规模生产和应用中仍面临成本控制、材料一致性等问题。

不过就像固态电池一样，目前所面临的问题，随着技术的发展都能得到有效的解决。并且未来在一些复杂的应用场景中，将超级电容器和固态电池结合形成混合储能系统是非常有前景的。

比如在电动汽车中，超级电容器可以在加速、制动等高功率工况下快速响应，而固态电池则提供稳定的能量输出，满足车辆行驶的基本能量需求。在可再生能源存储系统中，超级电容器可以快速处理功率波动，固态电池则用于长时间的能量存储，这样的组合可以充分发挥两者的优势，提高储能系统的整体性能。

小结

超级电容器作为介于传统电容器和电池之间的电化学储能装置，具有高能量密度、快速充放电、长循环寿命和高功率密度等特性，经多年商业化推进与技术进步，在新能源汽车、智能电网等储能市场应用广泛且潜力巨大。虽仍面临能量密度有待提升、自放电、电极材料优化等技术难点，但随着技术发展有望解决，未来与固态电池结合构建混合储能系统前景可期，有望在能源存储领域发挥更重要作用。