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超级电容器发展现状及发展前景分析

Time:2014-07-16

     超级电容器在新能源领域并不是一个陌生的名词。实际上,超级电容器已在该领域历经了几十年的坎坷,虽然它的应用形式同电池不同,但在实际应用上却总被电池取代,此外还面临成本高、技术难度大的劣势。然而,超级电容器在技术上一旦取得突破,将可对新能源产业的发展产生极大的推动力。因此,尽管研发过程困难重重,但攻克它的意义却很重大。
    据了解,开发长循环寿命、高比能量和高功率密度的储能器件一直是诸多领域研究者关注的热点课题之一。随着社会科技的发展,电动汽车等多个领域对电源功率的要求大大提高。传统的电容器虽然功率大,但能量密度有限,不能满足实际需要。 在超级电容方面,一港资企业采用深圳市纳米港公司的实验级碳管,掺杂其他物质制作出碳纳米管的固体电极。 以这种电极为基础的超级电容器的体积比电容达到107 F/cm3,证明这种电极是超级电容器的理想候选材料. 在碳纳米管表面沉积RuO2.xH2O,制备出碳纳米管和RuO2.xH2O的复合电极. 采用复合电极的电容器的比电容较之于纯碳纳米管电极有显著提高. 当复合电极中RuO2.xH2O的含量为75%时,比电容达到600 F/g,基于这种复合电极的电容器同时具有高能量和高功率密度的特点。

超级电容器的尴尬现状

  超级电容器从诞生到现在,已经历了三十多年的发展历程。目前,微型超级电容器在小型机械设备上得到广泛应用,例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电的辅助设施。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上,并可预见在该两大领域的未来市场上,超级电容器有着巨大的发展潜力。 使用寿命久、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度,这是超级电容器的四大显著特点,这也使它成为当今世界最值得研究的课题之一。目前,超级电容器的主要研究国为中、日、韩、法、德、加、美。从制造规模和技术水平来看,亚洲暂时领先。 

  然而,超级电容器的研发工作一直笼罩在电池(主要为镍氢电池、锂电池)的阴影之下。镍氢电池和锂电池的开发因为可以获得来自政府和大投资商的巨额资金支持,技术交流获得极大推动,也更容易聚焦全世界的目光。相比之下,超级电容器却很难得到雄厚的资金支持,技术的进步和发展也就受到很大程度地制约。另外,超级电容器成本高、能量密度低的现状也与锂电池形成鲜明对比,这使它在很多领域备受冷落。

先驱EEStor公司勇于挑战却惨遭败北

  尽管超级电容器已发展多年,但实际生产厂家的数量却少得可怜。一部分厂商面对超级电容器技术上发育不完全的现状,不敢轻易投资,采取观望策略,期待市场能出现一个涉足此领域并获得成功的例子。另外一部分厂商则坚信,只要超级电容器的生产成本实现大幅下降,仅以当前它的快速充放电特性,就可实现快速普及。美国超级电容器生产商EEStor就属于后者。 

  上世纪90年代,美国超级电容器生产商EEStor为改变超级电容器的市场现状,曾用好几年的时间将大量财力物力投向如何提高超级电容能量密度的研发上,期望能通过自身技术让超级电容器在生产和应用方面上升到一个新的台阶。

  当时,EEStor争取到了巨额的研发资金,还与电动汽车电机提供商ZENN公司达成了战略合作。然而,多名参与此项研究的科学家最后得出了令人遗憾的结论:我们很想打破超级电容器的市场僵局,但现有技术无法实现这一目标。世界超级电容器先驱之一——EEStor,在领域内建立的里程碑式研发项目最终以失败告终。

超级电容与电池拉平差距的机会

  尽管超级电容器的制作成本每年都在以低于10%的比例减少,但这项技术依然不能在运输行业和自然能源采集方面扩大生产规模。相比电池领域,超级电容器的技术过于落后,想要缩小两者在研发方面的差距,首要任务应解决如下问题:

■ 增加超级电容器生产厂商数量,通过市场竞争的手段刺激相关技术的研发;

■ 扩大高比功率超级电容器的生产规模,实现突破百万件的年生产量;

■将超级电容器当前的制造成本降低50%;

■ 拟定一个超级电容器可持续发展战略,主要针对更高效电极材料的探索。

  要达到上述目标需要厂商对超级电容器市场有一个逐年上升的投资力度,主要用于在设备的研发和生产两方面。与此同时,政府扩大资金和技术支持也将起到至关重要的作用。

超级电容器的可预见性未来

  毋庸置疑,超级电容器凭借自身使用寿命久、高充放电效率等显著特点,只要找准自身发展的合适土壤,未来发展潜力巨大。

      就未来十年的发展而言,超级电容器将是运输行业和自然能源采集的重要组成部分,其中,用于装配在启停系统车辆的超级电容器,将成为其在未来的主要销售渠道,预计在2016年的全球市场将达到2.7亿美元,2020年将超过3.5亿美元。在运输行业中,新能源汽车工业已成为当今最热门的话题之一。作为汽车领域的高新技术,新能源汽车要尽可能保持同传统汽车相同的性能,还要减少对石油等有限资源的使用量,这是其问世的根本目标。要实现这一目标,必然需要用于储存能量的借助辅助设施来实现,而超级电容器就是其中一个重要的组成部分。 

  今天,全世界各行各业都在享受自然能源发电带来的益处。未来,自然能源应用市场巨大,其中,辅助设施必然是这一市场中的一个集市,交易金额将高达51亿美元。超级电容器就是这个集市上的一类重要商品。

1. 超级电容器和节能与新能源汽车 

  在汽车工业中,智能启停控制系统(轻型混合动力系统)的应用为超级电容器提供了广阔的舞台,充分体现出超级电容器性能上的优越性,其中在插电式混合动力汽车上的表现尤为突出。

  这里,想补充说明一下汽车智能启停控制系统的工作原理,大致如下:

  1.当汽车在减速或短停车时,智能启停控制系统可暂停发动机转动,并将制动过程中产生的热能转换成电能储存在电容器里;

  2.当汽车再次前进时,电容器则将刚刚储存起来的电能瞬间输出给智能启停控制系统中的电机,电机转动传送带,直接带动发动机工作;

  这样,整个启停过程,汽车没有油耗,既经济又环保。其中,能够实现快速充放电的储能设备就是关键。因此,具有此特性的超级电容器成为最佳选择,也是智能启停控制系统最重要的组成部分。 然而,当前的混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及燃料电池汽车都配备了用来储存能量的电池,因此,超级电容技术想介入新能源汽车领域,还需要一段很长的发展过程。从目前来看,超级电容器可扮演辅助主动力电池的角色,既可起到缓冲作用,又可延长主动力电池的寿命,同时还可增强充放电效果。但是,造价高和能量密度低的劣势让这一辅助设备的开发无法顺利进行。尽管汽车制造商们明白超级电容器在能量领域里有极高的发展潜力,但目前还无法脱离对镍氢电池和锂电池的依赖。

  如果政府将尾气排放列为需优先解决的问题,并提供资金支持,在一定程度上能够推动部分厂商参与超级电容器的研发。

2. 超级电容器涉及的其他领域

  在自然能源采集领域里,风力发电目前的工作流程还离不开液压系统或电池。因为发电机的扇叶每次停下时,内部的涡轮机就会将扇叶调整到指定位置,这个过程在风力发电中被称为变浆距控制系统,运作过程中所需的电能就是通过液压系统或电池来提供的(限于篇幅,液压系统相关知识不会出现在本报告中)。对于电池来说,间歇性工作强度大,再加上常年的负荷,会导致自身使用寿命大打折扣。为此,工程师们每隔几年就会对每一个风力发电机进行一次“高空作业”,电池的维修和更换也是一笔不小的费用。大功率超级电容器利用其充放电快,循环寿命长的特点,可以代替电池胜任此工作,虽然前期投入成本高,但是相比频繁维护和更换电池,费用还更低廉一些,同时还可降低工作强度。可就现实而言,超级电容器还没有作为炙手可热的辅助设备渗透进这个能量网络。不过,未来超级电容器将被广泛应用的事实是不容置疑的。通过超级电容器在上述设备上的应用,不难看出其在能量存储方面同电池以及其他储能设备还是具有可比性的。因此,在“次级”市场的销售方面,预计超级电容器2013年销售额可以达到500万美元,2016年则可增加到1500万美元。

工程师们致力开发“超级电池”

  电池与超级电容器各有利弊,为了集两者的优点于一身,工程师们试图发明两者的混合体--“超级电池”(battery-ultracapacitor)。超级电池的主要特点为:低成本、高能量密度、高能量存储、循环使用寿命长、环境适应能力强。而工程师们的首要任务是要攻克高能量密度这一关口,因为一旦解决了能量密度这一难题,超级电池就可替代高成本、大功率超级电容器在运输行业和自然能源采集方面的应用。

  将理想中的超级电池呈现给世人,这个过程必然是漫长的。但是,一些公司已经加入到研发这项技术的队伍中,并且已经生产出了超级电池的雏形。虽然起步阶段的超级电池循环寿命短、能量密度低,但相比超级电容器坎坷的成长经历,超级电池的未来要明朗得多。 

  
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