研究员最重视的超级电容，为什么拼不过锂电池？

2022年，成为超级电容在电力调频、混合储能领域规摸落地的第一年。

根据超级电容产业联盟数据，2021年全球超级电容市场规模为15.9亿美元，预计2027年将达37亿美元，21-27年CAGR为18%。

（图片来源：华尔街见闻）

储能需求高速扩张的同时，储能技术百花齐放，没人能说哪一种技术最有前景。为什么今年市场对于超级电容的关注度这么高？它有哪些优缺点？又为什么没有替代锂电池成为主流储能技术呢？

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优势

超级电容是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。由于其在新能源汽车、智能电网、风力发电、太阳能、轨道交通、运动控制、军用设备、电力储能等众多领域有着巨大的应用前景，逐步成为世界各国重点研发项目，也是储能技术研究的主场之一。市面上出现过的超级电容器主要有双电层电容器（EDLC，electricdouble-layercapacitor）、赝电容器（PC，pseudo-capacitor）以及混合超级电容器（HSC，hybridsupercapacitor）三大类。

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其中最常用的是双电层电容器，其工作原理是利用插入电解质溶液的电极间产生的电位差，通过电荷在电极上的吸附来储放能，更接近于传统电容器工作模式。超级电容与之最大的区别是增加了电极数量，因此具有更大的有效表面积，可使其电容量比传统电容提高1万倍，同时还可保持较低的等效串联内阻和高的比功率。

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如下图所示，相比于锂电池、钠电池等电化学储能电池技术，超级电容在充放电时间上具有绝对优势，其能量存储方式为W/s，区别于传统储能电池W/h，可以精确到毫秒。大容量、长寿命、快速充放是超级电容最大的优势，这意味着，超级电容非常适合短时大功率储能场景，能够快速捕捉峰值功率释放的能量，并在需要的时候快速释放。是一种在存储容量、充放效率等方面，都能“碾压”现有电化学储能电池的存在。

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政策

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自“十一五”以来，我国对于电容器一直持支持态度，并于2015年正式提出支持超级电容器发展。2021年1月，工信部印发《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023年)》，提出重点推动车规级传感器、电容器(含超级电容器)、电阻器、频率元器件、连接器与线缆组件、微特电机、控制继电器、新型化学和物理电池等电子元器件应用。

（图片来源：前瞻产业研究院）

应用

目前，超级电容主要应用在智能产品、轨道交通和储能等方面。自2015年全球首条超级电容储能式无轨电车在宁波首发以来，超级电容在公交车、无轨电车等储能交通方面的应用越来越多。

2020年底，全国首条超级电容+锂电池的有轨电车，广州黄埔有轨电车1号线也开始正式运营。

与此同时，去年10月总投资8亿元的新能源超级电容项目也正式“落户”安徽省铜陵经开区，预计项目全部建成达产后可实现年产值22亿元，净利润约3亿元，税收约2亿元，预计带动就业1300人。

此外，超级电容短时间高密度能量充放的特性，也极度适配RTC、消费电子、智能电表、应急电源、微储能等需要在断电后持续运行的设备。应用层面非常广泛。

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制约

虽然超级电容有很多优势，但却暂时不能成为替代锂电池储能产品。超级电容电池的缺点和它的优点一样明显。由于超级电池过快的放电速度和过低的内阻，如果设计不好的话，本身就蕴含着“能量突然大爆发”所隐藏的风险。从经济性、技术性角度来看，超级电容仍有待进步。制约其规模化发展的原因主要有以下两个：

一、生产成本高

据了解，超级电容在生产过程中，有一套极其复杂的工序，涉及SiO2模板、CVD、CH4、三维石墨烯块等各类材料和工艺。加之技术原因，电极材料利用率低、倍率性能差，使得生产成本大幅增加，限制了超级电容工业化生产进度。

二、能量密度低

循环稳定性相对更好的双电层电容虽然已经投入上海等地公共交通使用，但并不适用于电动轿车。因为公交车、电车，每次行驶都有固定里程和休息时长，10分钟就能充满，足以支撑单程30km-40km所需电力，加上10万次以上的循环寿命，成本远比循环寿命只有一两千次的锂电池要低得多。

通常磷酸铁锂电池的能量密度约为120-150wh/kg，而商用的三元锂电池则有180-200wh/kg的系统能量密度。相比较而言，商用的双电层超级电容器的能量密度只有10wh/kg左右，仅为锂电池的4%-5%。这意味着，要想支撑一辆普通电动轿车行驶480km，则车载超级电容器的重量至少要达到6吨。

总的来说，超级电容在容量、寿命、充放电效率、功率密度、瞬时动态特性等方面都优于锂电池，非常适合解决大型电动车的启动加速问题；在安全性方面，相较于锂电池，超级电容不会出现液体泄漏、冒烟、起火、破裂或爆炸的现象，充放电时也不会出现过热情况，能够应用于特定场景下的储能电站。但其能量密度不高且成本有待下降，导致超级电容不能广泛应用于储能市场。

目前，超级电容的潜力仍在开发中，成本和能量密度有望进一步优化，包括德国慕尼黑大学、英国伦敦大学、中国中车都在持续研究超级电容技术。但想要超越锂电池技术，超级电容还有很长的路要走。