超级电容--储能界的后起之秀

超级电容--储能界的后起之秀

当前，储能系统在不同领域内扮演着越来越重要的角色，比较典型的领域如电动交通工具、电力系统等。在这种背景下，超级电容器作为一种储能技术，具有功率密度高、免维护、寿命长等优异性能，成为学术界和产业界关注的热点。

近年来，超级电容器技术进步较快，在学术界不断有新的技术突破。在学术支持下，产业界在生产制造和应用端也取得了较大进展。随着大量的研究，超级电容器的电极材料不断涌现出突破性进展，且新型超级电容器引起广泛研究，如可修复超级电容器，可拉伸超级电容器，可穿戴超级电容器，混合超级电容器等。

超级电容器是一种电化学的物理部件，自身不具备化学反应。超级电容通过注入电解质来储能，电解质在电极的作用下，表面电荷吸附周围的异性离子，并附着在电极表面形成双电荷层，超级电容器采用特殊电极结构，产生极大的电容量。

与传统的电化学储能技术相比，超级电容器具有高输出功率、快速响应、免维护、长寿命、较宽的工作温度等优点，可以满足多个领域要求，目前市场规模及应用领域在不断扩张。如在能源领域中，该产品对可再生能源等相关领域具有较大的吸引力。

超级电容器在可再生能源系统中主要用途是用于风力发电涡轮机的变桨控制，根据数据显示，20%~30%的风力发电配置了超级电容器变桨控制系统，30%~45%的风力发电机组配备了电池储能系统。

微电网通常配备可再生能源发电机，微电网并网通常会受到一些限制，为减少微电网对电网造成干扰，因此选择合适的ESS及其管理策略具有重要意义。超级电容器具有改善电池储能系统一些缺陷，提升电池放电功率等性能，可以联合电池储能系统用于微电网中，也可用于独立的微电网，以提供高弹性、快速响应等服务。

另外，超级电容器还可以帮助系统满足频率为几赫兹的电力需求。使系统具有更高的效率，并延长了燃料电池使用寿命。

例如在小岛微电网中配备了超级电容器储能系统，系统最大放电4兆瓦，容量为5.5千瓦时；港口23台起重机对电网冲击较大，为了降低起重机对电网的冲击，安装了一个3兆瓦/17.2千瓦时的超级电容器储能系统，作为后备能源，可以提供20秒的持续性电力供应。

据了解，大多数商业化的超级电容器呈圆柱状，该类超级电容器主要由两个附着在铝集流体活性物质的电极卷绕而成，其中隔膜位于两电极之间，防止形成电子短路，正负极输出端分别位于卷芯绕组的上下两端。当卷绕完成后，将制作好的卷芯绕组置于硬壳中，正负输出端与外壳相连，并注入电解质进行密封，以防杂质对电解质和活性物质造成污染。

圆柱形超级电容器生产自动化水平较高，产品制造成本较低，可以满足不同领域的应用。这类超级电容器的主要缺点是散热性能较差，电容器在大功率充放电时，内部快速产生大量的热，无法及时通过较厚的电极层进行散热。尽管超级电容器的效率较高、功率损耗比例较低，但温度仍然是限制产品实现超高功率充放电的重要因素。

为提高超级电容产品散热性能，设计了另外一种超级电容器，外形类似于压缩饼干。该类超级电容器为软包装超级电容器，产品制作工艺与软包装锂离子电池制作工艺类似，采用叠片工艺制作，极性相同的电极平行叠放并连接，通过铝塑膜实现产品密封。这类产品价格高于圆柱形产品的价格，因其具有优异的散热性能，适用于超高功率应用场景。

目前，降低成本还是当前超级电容器开发的重点方向。当前的超级电容器供应商主要通过低成本材料开发，新型低成本生产工艺研究等方向来降低产品成本。有研究认为，当材料成本下降90%时，超级电容器产品的价格将下降50%。

当前一些新的生产工艺处于研究阶段，预计在未来几年内，超级电容器的生产工艺将出现较大突破，届时产品价格将进一步下降。

石墨烯超级电容器技术这项技术利用简便的制备方法，有效降低生产成本，促进工业化发展。该研究组成员借助电场辅助方法组装氧化石墨烯片，进而制备3D 石墨烯网络。

此后的发展就如该组的预期设想，基于3D石墨烯网络的超级电容器实现了高比电容和良好的倍率性能，明显改善导电率。

该技术在一定程度上改善了超级电容器的储能问题，降低电池的功耗和延长使用寿命，也从侧面证明了新材料在超级电容领域拥有蓬勃的生命力，这种生命力也体现在超级电容领域其他新研究的进展上。

一种基于双交联水凝胶电解质的可拉伸可愈合的超级电容器。这种水凝胶电解质和褶皱结构的电极组装而成的超级电容器不仅具备1000%的超强机械拉伸性，在300%的应变拉伸2000次下仍能保持98%的电化学性能，且在红外光照射和加热的情况下保持重复的愈合能力。断裂/愈合的超级电容器也能够达到900%的超高拉伸性，性能仅出现轻微的衰减。

业内普遍认为，提升超级电容器的能量密度对于商业应用尤为重要，而这种提升一般会通过改善碳材料的孔结构或负载赝电容材料提高电极材料的能量密度。

超级电容器可在电极材料表面构建富电子区域的方法提高能量密度。而富电子区域能够尽可能多地吸附阳离子、加速电子转移，会显著提升电极材料电容值。

使用聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶作为主体，小于10纳米的碳点作为客体，合成一种新型的碳点/多孔碳复合材料。由于碳点富含磷酸盐/氮基团，能够调节材料电子结构，形成富电子区域。

除此之外，超级电容器相比于电池，其较低的能量密度仍然限制其大规模商业应用。而该碳材料具有大表面积和丰富的多孔结构，有利于离子和电子的传输。因此，此材料用作超电电极表现出优异的电化学性能，在与Ni(OH)2/CNTs组合成混合超级电容器时，能量密度可达90瓦时/千克。

基于近期的超级电容文献，针对可修复超级电容器，可拉伸超级电容器，混合超级电容器的电极材料或新型电解质等的研究层出不穷。对于碳材料而言，提高其电容值的方法有调控孔结构和比表面积，杂原子掺杂，提高润湿度等；对于赝电容材料，提高其电容值的方法有将其与导电性大的碳材料结合或者改变其本身特性。总而言之，如何保持高功率密度的情况下提升能量密度仍然是当前超级电容器电极材料的研究热点。