2019超级电容器行业分析报告及技术研究现状

2012超级电容器行业分析报告及技术研究现状

一、电容器、超级电容器行业分析

超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型三者在容量上大致归类为5F以下、5F~200F、200F以上它们由于其特点的不同运用领域也有所差异。

钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产品中做后备电源，适用于带CPU的智能家电、工控和通信领域中的存储备份部件。另外大型超级电容器通过串并联构成电源系统可用在汽车等高能供应装置上。

表1、表2是对三种超级电容器产业规模进行调查而得到的数据整理而成的，分别反映了世界和中国超级电容器产业的情况。从这两个表中我们不难发现三个问题：

1、超级电容器产业的发展非常迅速，无论是钮扣型还是卷绕型或是大型超级电容器，其产业规模都在高速扩展。

2、中国在钮扣型超级电容方面的竞争力不明显，在中国钮扣型市场中，海外产品几乎占据了90%以上的份额，竞争非常激烈。数据表明，近几年国内厂家的市场份额也在逐步扩大。

3、卷绕型和大型方面，中国的技术水平与国际接近，市场份额也比较理想。近几年，中国厂商的销售收人也在呈几何倍数增长。据调查，国产超级电容器已占有中国市场60%~70%的份额。

二、超级电容器技术研究现状

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，与普通电容器一样，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，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与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，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

超级电容器因其独特的双层大容量储存结构对原材料及制作工艺提出了极高的要求。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。下面将从原材料，制作工艺等几个方面对超级电容器的技术现状进行分析。

2.1正极材料

目前用作超级电容器电极的材料主要有三类：碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。

2.1.1 碳材料

碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及

以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存，而制备的碳材料往往存在微孔(孔

径小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(孔径

大于2nm)的方向发展。除此之外，碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性

能也有影响。现在已有许多不同类型的碳材料被证明可用于制作超级电容器的极化电极，如活性炭、活性炭纤维、碳气溶胶、碳纳米管以及某些有机物的裂解碳化产物。

2.1.2 金属氧化物材料

金属氧化物作为超级电容器电极材料的研究是基于法拉第准电容储能原理，即是在氧化物电极表面及体相发生的氧化还原反应而产生的吸附电容。其电容量远大于活性炭材料的双电层电容，但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。金属氧化物作为超级电容器电极材料有着潜在的研究前景。近年来金属氧化物电极材料的研究工作主要围绕以下两个方面进行:(l)制备高比表面积的RuO2活性物质。(2) RuO2与其它金属氧化物复合。

2.1.3 导电聚合物材料

电聚合物电极电容器是通过导电聚合物在充放电过程中的氧化还原反应，在聚合物膜上快速产生n型或p型掺杂从而使其储存高密度的电荷，产生很大的法拉第电容来实现储存

电量。研究发现聚毗咯、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯、聚并苯等可用作超级电容器电极材料，

其中聚毗咯及其衍生物由于其有优异的电化学性能、环境友好、合成简.单等特点，被认为是最具有应用价值的材料之一。导电聚合物超级电容器具有使用寿命长、温度范围宽、不污染环境等特点，并且可以通过设计聚合物的结构，优选聚合物的匹配特性，来提高电容器的整体性能、但真正商业应用的电极材料品种还不多，价格也较高。今后研究的重点应放在合成新材料上，一寻找具有优良掺杂性能的导电聚合物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。

从实用来讲，碳材料无疑是目前超级电容器各类电极材料中最具吸引力的，它几乎是市面上所有产品共同的选择，但电极材料的成本占到其产品总成本的近30%，是导致生产成本较高的主要原因，这在一定程度上限制了超级电容器的推广应用。而导电聚合物、金属氧化物等作为电极材料还处于探索之中，停留在实验室阶段。今后超级电容器电极材料的研究重点将集中在己有材料制备工艺及结构优化，兼具法拉第准电容和双电层电容新材料的开发，高性能材料的规模化生产，以适应市场对高性能、低成本、性能稳定移动电源技术的需求。

2.2 负极材料

超级电容器负极材料主要是炭材料，商业化使用的负极炭材料主要是石墨。国内各厂家技术的差异不大，主要是材料性能的差异。

2.3 电解质

电解质是超级电容器的关键材料，在正负极之间起着输送和传导电流的作用，影响着器件的充放电特性、能量密度、安全性、循环性能、倍率充放电性能、高低温性能、储存性能和成本。根据其工作特点，要求电解液电导率高、杂质低、分解电压高、腐蚀性低、化学和电化学稳定性好、热稳定性能好、功能性强、低污染及低成本等特性。

国内目前采取的是水系(即无机电解质)和非水系(即有机电解质)两种不同的技术实现途径，电解质为水系的超级电容器单体电压不超过1.6V，而非水系的超级电容器单体电压不超过3V。水系电解质主要有30%硫酸水溶液、30%氢氧化钾水溶液，而有机在国际上己成

为主流，使用较多的有机电解液是丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨、六氟磷酸锂与有机溶剂的混合液等。

表3列出了有机系超级电容器和水系超级电容器的一些特性上的主要区别。