产业专题研究之：超级电容器目录一、超级电容器 21.定义及功能 22.产生背景 33.工作原理 34.应用领域 45.特性 46.分类 56.1按原理分类 56.2按电解质分类 66.3其他分类 6二、供应链 61.电极材料 62.电解液 63.隔膜 74.主要原材料供应商 7三、工艺流程 7四、关键技术及发展 81.关键技术 82.关键技术发展 8五、市场现状 9七、主要竞争对手 11一、超级电容器1.定义及功能超级电容器（super capacitor），又叫双电层电容器（Electrical Doule-Layer Capacitor）、电化学电容器（Electrochemical Capacitor, EC）、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近图 1 超级电容器结构超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面及液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量双电层电容器及铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点及铝电解电容器的过电压击穿不同同时，双电层电容器及可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达106次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件图 2超级电容储能系统2.产生背景由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。
已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究及开发，取得了一定的成效但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究及开发其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门的国家管理机构（如：美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进就超级电容器技术水平而言，目前俄罗斯走在世界前面，其产品已经进行商业化生产和应用，并被第17届国际电动车年会（EVS—17）评为最先进产品日本、德国、法国、英国、澳大利亚等国家也在急起直追，目前各国推广应用超级电容器的领域已相当广泛在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有利于国家石油安全；有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题；有利于解决战车的低温启动问题目前，国内主要有10余家企业在进行超级电容器的研发。
3.工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，及普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液及电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷及负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应因此性能是稳定的，及利用化学反应的蓄电池是不同的4.应用领域Ø 税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳等的时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源 Ø 智能表（智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表）作电磁阀的启动电源 Ø 太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。
Ø 手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池 Ø 电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置,它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点Ø 电动汽车：快速启动 图 3 车用超级电容器Ø 电力系统：电网改造 户外开关 Ø 风力发电：海上风机5.特性（1）高功率密度输出功率密度高达数kW/kg，是任何一个化学电源所无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍超级电容器在分离出的电荷中存储能量，其面积是基于多孔炭材料，而该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大2）妥善解决了贮存设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾超级电容器可以提供1-5kW/kg 的高比功率的同时，其比能量可以达到5-20Wh/kg3）充放电循环寿命很长，达到10万次量级4）充电时间短超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，远快于蓄电池的充电时间5）贮存寿命长所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的6）高可靠性。
超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因此超级电容器的可靠性非常高图 4 超级电容器及静电电容器、电池的性能参数比较图 5 超级电容器及主流蓄电池性能参数比较6.分类6.1按原理分类按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：6.1.1双电层型超级电容器双电层型超级电容器主要采用以下几种电极材料：Ø 活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极Ø 碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极Ø 碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料Ø 碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极 以上电极材料可以制成：Ø 平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压Ø 绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度6.1.2赝电容型超级电容器包括金属氧化物电极材料及聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。
这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产6.2按电解质分类可以分为水性电解质和有机电解质类型：6.2.1水性电解质Ø 酸性电解质，多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质 Ø 碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂Ø 中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液 6.2.2有机电解质 通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度6.3其他分类Ø 液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态Ø 固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究二、供应链从结构上看，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及特性 1.电极材料超级电容器的电极材料主要在四个方面：碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，以及混合超级电容器。
碳电极材料比表面极大，原料低廉，有利于实现工业化大生产，但是比容量相对比较低金属氧化物及其水合物电极材料的比容量较高，但是其昂贵的成本以及对环境存在的安全隐患限制了它们的工业化规模导电聚合物电极材料的工作电压高，从而可以提高能量存储的能力但是，这一类材料在有机电解质中浸泡后容易发生膨胀，造成稳定性差混合超级电容，对电极采用不同的材料体系组成，可以提高其存储的能量密度，但是其循环的稳定性比较差2.电解液电解液成本占超级电容器行业生产成本的比例：30%—35%总的来说以电解液为基本原材料的产品所占比重很大，因此电解液的变化对我国超级电容器行业的影响力度很大电解液需要具有很高的导电性和足够的电化学稳定性，以便超级电容器可以在尽可能高的电压下工作现有的电解质材料主要水溶液电解质有机物电解质的分解电压高，一般都高于2.5V，但导电性比较差；水溶液电解质主要是KOH和H2SO4，它们的分解电压受到水的分解电位的限制，只有1.23V，但是其导电性是有机电解质的4倍以上目前，电解液是供不应求3.隔膜隔膜是超级电容器的重要组成部分，在超级电容器中起着防止正/负极短路，同时在充放电过程中提供离子运输电通道的作用，其性能决定了超级电容器的界面结构、内阻等，直接影响超级电容器的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高超级电容器的综合性能具有重要的作用。
超级电容器隔膜的材料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）单层微孔膜，以及由PP 和PE 复合的多层微孔膜目前，世界上只有日本、美国等少数几个国家拥有超级电容器聚合物隔膜的生产技术和相应的规模化产业我国在超级电容器隔膜的研究及开发方面起步较晚，超级电容器隔膜主要仍然依赖进口，导致市场价格高居不下，隔膜的平均价格在8～15元/m2，其成本占到了整个超级电容器成本的约1/5按照超级电容器产量10亿台估计，每年隔膜的消耗量在3亿～5亿/ｍ２之间，市场价值在10～15亿元目前国内隔膜市场80％以上被美、日进口产品占领，国产隔膜主要在中、低端市场使用所以实现隔膜的国产化，生产优质的国产化隔膜，一方面有望能够降低整个隔膜的市场价格，同时还能为国家节省大量外汇，创造巨大的经济效益。