超级电容器国内外应用现状研究

韩亚伟 姜 挥 付 强 郭春辰

1．同济大学汽车学院

2．上海卡鲁自动化科技有限公司

0 引言

能源储存是人类21世纪面临的最大挑战之一。为了满足现代社会发展的需求和日益显现的生态问题，必须寻找低成本、低碳排放的环保型能量转换和储存系统。超级电容器（Supercapacitor），也称电化学电容器（electrochemical capacitors），是上世纪七、八十年代发展起来的一种介于常规电容器与化学电池之间的新型储能器件[1]。超级电容器作为传统电容器的升级版，拥有更高的电容量、更高的功率密度、高功率充放电能力以及长循环使用寿命，吸引了各行各业的关注。对于未来的储能系统，美国能源部给予了超级电容和电池同等的重视，可见超级电容器广阔的发展前景和在储能领域的重要性。目前，超级电容器已在交通运输、国防军事、计算机、医疗、工业和电力等领域得到了广泛应用，成为了储能领域中的新亮点。

1 超级电容器的原理与分类

超级电容器主要由阴阳两电极、电解质溶液、分离器和集流器组成，其中浸在电解液中的分离器使阴阳电极保持分离。超级电容器基于电极/电解液界面的充放电过程进行储能，其储能原理与传统电容器相同，但更适合于能量的快速释放和存储。与传统电容相比，超级电容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[2]，同时还可保持较低的等效串联内阻和高的比功率。

根据电荷储存原理的不同，超级电容器可以分为三大类别：双电层电容器（EDLC，electric double-layer capacitor）、赝电容器（PC，pseudo-capacitor）以及混合超级电容器（HSC，hybrid supercapacitor）[3]，根据电极材料的不同以及电容产生原理的不同等可将超级电容器按图1所示进行分类。

双电层电容器利用电极和电解质之间形成的双电层界面来储存电荷，其构造如图2（a）所示。分离器将两电极分离开，充电时正负电荷在两电极表面积累形成电容，放电时积累的电荷重新回到电解液中，并在外电路产生放电电流。目前双电层电容器的电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等[4]，具有电导率高、强度高、耐腐蚀、耐高温等特点。

图1 超级电容器的分类

赝电容器的电容来源于电极材料与电解质的氧化还原反应，其电极材料主要为金属氧化物、掺杂金属的炭和具有导电性的聚合物[5]，其构造如图2（b）所示。赝电容器的电容产生过程中发生了电子转移，虽然该电化学行为不同于纯静电双电层电容器，但它也不同于电池。赝电容器的电容具有高度的动力学可逆性，其循环伏安图曲线呈现近似矩形的形状，这是一种典型的电容性特征[6]。

混合超级电容器是由石墨烯或石墨、活性炭等EDLC电极和金属氧化物、导电聚合物等赝电容电极组成的混合系统[7-9]。由不同材料的两种不同电极组成的混合超级电容器打破了组成元件各自的特性限制，因此，可以表现出比单个超级电容器更好的电化学性能。混合超级电容器具有更高的工作电位和更大的电容量，比传统电容器以及EDLC和赝电容器高出2～3倍，并可以保持循环稳定性和较高的耐受度[7]。

图2 双电层电容器和赝电容器的结构示意图[10]

超级电容器由于其储能机理和自身的特性，可以弥补传统电容器与电池之间的空白，兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的优点，各储能元件之间的比较见表1。

超级电容器的主要优点包括超过100万次的超长充放电循环寿命、宽广的工作温度范围（-40～70℃）、充电速度快、功率密度高、较低的维护要求等。另外，超级电容器的生产、使用、储存以及拆解过程中均不使用有害化学品或者有毒金属，因此是绿色环保的储能装置。

2 超级电容器的国内外应用现状

20世纪八十年代，日本NEC公司生产超级电容器用于电动汽车的启动系统，同时松下公司研究出了以活性炭为电极材料，以有机溶剂为电解质的超级电容器，开启了超级电容器大规模的应用。如今，日本的Panasonic、Elna、Nec-Tokin公司，韩国的Ness、Korchip、Nuintek公司，俄罗斯的Econd和Elit公司以及美国的Maxwell、Tecate公司在国际超级电容器市场占据了很大的份额。

国内的超级电容器发展起步较晚，但在国家对新能源产业的政策支持下，超级电容器取得了飞速的发展，市场规模也迅速增长，近年来中国超级电容器市场规模情况见图3。目前国内主要生产超级电容器的厂家有北京合众汇能、北京集星、上海奥威、东阳光科、中车株洲电力机车、锦州凯美能源等，其技术水平与国外厂商的差距正在逐渐缩小。超级电容器在交通与运输、国防与军事、计算机与内存、工业、电力能源、日常应用等多个领域存在广泛应用，本文结合超级电容器自身的特点对其在各领域的应用现状进行阐述。

图3 近年来中国超级电容器市场规模情况

表1 各储能元器件的性能参数比较[4]

2.1 交通与运输领域

超级电容器因充放电速度快、功率密度大、循环寿命长等特点，在汽车行业得到了广泛应用。对于传统燃油汽车，连接到内燃机的超级电容器可以提供瞬时的能量爆发，使汽车得以快速启动。超级电容器的工作温度范围宽，低温性能良好，应用超级电容器作为应急启动电源装置可以解决低温环境下蓄电池难以启动汽车的问题[11]。配备了超级电容启停系统的汽车相比于传统蓄电池启停系统的汽车，可以拥有更低的燃油成本和维护成本以及更高的驾驶体验[12]。

超级电容器作为混合动力汽车的动力源之一时，可以使车辆获得更高的瞬时功率，进而提高车辆的加速性能；在车辆减速制动时，可以对制动能量进行回收，提高车辆的整车经济性[13]。丰田公司的雅力士混合动力汽车和标致雪铁龙便是使用超级电容器对车辆进行启动并获得瞬时大功率，以获得更佳初步加速性能的典型车型[14]，如图4所示。

图4 配备超级电容系统的典型车型

超级电容器在交通领域的另一个重要应用场景是城市公交客车。由于城市公交客车在行驶工况中启停频繁，频繁的制动刹车会造成大量动能的浪费，不仅使整车经济性下降，同时还会产生较多污染气体[15]。根据城市客车的行驶工况特点，采用超级电容器作为动力源，可对制动能量进行回收，进而提高车辆的经济性。

2006年8月上海市在完成老城厢原11路无轨电车基础上进行的全球最早的超级电容公交试点改造。该车采用上海奥威的超级电容器，一次充电公交模式续行里程为7．9 km，充满电时间为90 s，再生制动能量回收明显[16]。自2014年开始，海格品牌的超级电容公交车先后进入塞尔维亚、奥地利、比利时、以色列等市场，展现出了中国超级电容客车的海外竞争力[17]。

有轨电车和地铁列车等重型城市交通车辆对储能装置的要求更高，因此超级电容器在轨道交通方面也获得了较多的应用。2016年8月1日，中国首列完全自主化全线无接触网“超级电容”现代有轨电车，在中车株洲电力机车有限公司下线，如图5（a）所示。该有轨电车可在站台区30 s内快速完成充电，一次充电可运行3～5 km，制动时能将85%以上的制动能量回收[18]。2012年9月，CAF公司的有轨电车在西班牙萨拉戈萨商业运营，如图5（b）所示。该有轨电车装载了8．2 kWh超级电容组/30 kWh锂电池组的混合储能系统，可保障约2 km至5 km的无触网区段供电牵引[19]。

图5 国内外超级电容有轨电车

德国西门子公司研究的SITRAS系统、加拿大庞巴迪公司研究的MITRIC系统都采用超级电容作为储能装置，并有成功应用在本国的地铁中的例子[20]。2016年11月30日，国内首套拥有自主知识产权的1 500 V地铁列车用超级电容器储能装置在广州地铁6号线浔峰岗站正式挂网运行，图6为挂网运行的地铁制动能量回收装置。该超级电容储能装置可实现制动能量再利用，并避免能耗装置电阻放热造成电能浪费和环境温度升高，具有良好的经济效益和环境效益[21]。

图6 广州地铁挂网运行的地铁制动能量回收装置[19]

电力系统分布范围广、环境复杂，大多可再生能源受环境限制较大，输出的功率具有明显的随机性和波动性。超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、受环境温度影响较小等优点，因此非常适合做电力系统的储能装置。为改善电力系统提供的电能质量，需要超级电容储能装置与供电网络并联，如图7所示。当直流母线电流受到干扰而发生波动时，超级电容器可吸收母线波纹峰值功率以调节有功和无功功率的输出，提高系统稳定性与可靠性[22]。

图7 电力系统中超级电容储能装置基本结构[22]

太阳能电池在工作过程中由于受环境的影响，输出具有明显的非线性特性[23]，如图8所示。针对太阳能电池的工作特点，通常利用最大功率点跟踪技术(MPPT)使其输出功率保持在最大值。传统MPPT中的储能系统主要为铅酸蓄电池，但以超级电容器设计的储能系统可以获得更好的动态特性、更高的能量转换效率及系统使用寿命[24,25]。由超级电容器和蓄电池组成的混合储能光伏发电系统，利用高功率密度的超级电容器快速平抑直流母线功率高频波动分量，延长了蓄电池的使用寿命，同时也发挥了铅蓄电池容量大的优势[25,26]。

图8 光伏电池组在标准条件下的输出曲线[22]

在风力发电系统中，由于风具有随机性与波动性，应用超级电容器可以对波动功率实时控制，在长期不同工作环境中向电网提供平滑的功率输出[27]。超级电容器可以应用在风力发电系统抵御穿越过程，以超级电容器作为负载，防止母线电压过高[28]。超级电容器储能系统已被大唐华创、米塔等多家大型风电企业采用。当风力发电机组出现故障时，需要储能装置内的电力改变叶片角度使风机完全停机以保障安全，风电变桨系统如图9（a）所示。用超级电容器替换蓄电池给变桨距系统提供电源，可以降低风机维护成本，并提高其运行指标[29]。湖南耐普恩科技有限公司推出了风电变桨16V500F模组，如图9（b）所示。

图9 风电变桨系统及超级电容模组

2.2 工业领域

随着工业现代化进程不断加快，工业生产的体量越来越大，随之带来的是大量的能量浪费。为了提高经济效益和节约能源，需要对这些能量进行回收再利用。目前回馈电网技术还不成熟，且会对电网产生污染，因此采用超级电容器作为储能装置是比较常用的方法。

起重机械在港口、建筑和矿业等领域应用广泛，属于高耗能设备，在下放重物时会释放大量的重力势能，对这部分能量的回收将有较好的节能效果。起重机超级电容器节能系统见图10。中船澄西船舶修造有限公司以生产的一台50 t桥式起重机为样机进行了能量回收测试，其测试结果表明装载了超级电容节能系统后，起重机的节电率超过了50%[30]，获得了很好的经济效益。

图10 起重机超级电容器节能系统[30]

抽油机属于位能型负载，电机会周期性进入倒发电状态，在变频器基础上引入超级电容储能技术可以有效回收电极发电产生的电能。2008年上海电驱动有限公司发表了油田抽油机用电机控制系统专利，其控制系统储能器件便是超级电容器，如图11所示。在油田抽油机抽油杆下降时，将抽油杆下降位能转换成电能储存到超级电容器中，在油田抽油机抽油杆提升时，从超级电容器中获取电能产生上升动力，从而大幅增加了整体运行效率[31]。对某款油梁式抽油机进行了超级电容储能技术的改装，在满足了实际生产需要的同时可保证平均效率在90%以上，单井年节约资金约1．6万元，达到了节能减耗、降低生产成本的目的[32]。

图11 抽油机超级电容储能系统结构图[33]

网电修井机在下钻过程中，加入超级电容器储能系统可将下钻过程中管(杆)柱势能转化成的电能储存在超级电容器中，在起钻作业时协同变压器驱动大钩上行。胜利油田与山东爱特机电联合研发了采用超级电容储能技术的新型网电修井机，与普通网电修井机相比节能超过40%[34]。渤海石油和华北油田共同研制开发的XJ900DBN电动储能内绷绳修井机集成应用网电、超级电容储能、内绷绳技术于一身，如图12所示。与常规柴油修井机相比节能率达87．3%，经测算单井作业节约能耗86．7%，取得了非常好的经济效益。

图12 XJ900DBN电动储能内绷绳修井机

2.3 国防与军事领域

随着国防与军事建设的现代化，各种高科技设备和仪器都持续得到开发和应用，而这些设备或仪器的工作条件往往比较严苛，因此对储能电源的要求也会较高，如：需要功率高、工作温度范围宽、循环使用寿命长等。因此超级电容器凭借其自身的优点，在国防军事方面也具有很好的应用前景。

图13 美国Tecate公司生产的各类军用超级电容器系统

超级电容器可以为航空航天的各种电子设备提供电能，比如总部位于美国圣地亚哥的Tecate集团生产的PC超级电容器可用于各种航空电子控制的短期电源，并且无需维护；HA系列超级电容器可用于航空电子设备存储驱动器中的数据备份。Tecate集团还制造生产出了许多军用超级电容系统，如图13所示。

超级电容器可作为军工产品的紧急电源，比如用于军用机器人的数据备份紧急电源，用于坦克和装甲车中失去主电源的消防系统的紧急电源等。现代军事衍生出的武器大多需要电源提供电力，超级电容器是为这些武器提供短期和瞬时峰值功率的理想选择。如：用于GPS导航的导弹、炮弹、鱼雷等的短期电源，用作坦克火炮炮塔的辅助电源，用于提供陆基发射系统的脉冲功率等。

现代高性能相控阵雷达根据不同需要可装载在舰艇、汽车、飞机、卫星等平台上，装载在舰艇上的各种雷达称为舰载雷达。现代海战对舰载雷达系统的性能提出了更高的要求，电源系统必须做到高可靠性、高功率密度和高效率，因此超级电容器在舰载雷达电源系统中得到了广泛的使用[35]。

超级电容器可提高无线系统的射频性能和安全性，可用于飞行员无线电求救信号的最后紧急电源，为便携式军用电子设备提供瞬时峰值功率等。超级电容器也用于军用车辆，比如用作防地雷反伏

击车的车门紧急电源，用于各种军用车辆平台中灭火系统的电源和军用车辆的冷启动[36]等。

2.4 日常应用领域

超级电容器的特点使其在日常照明领域也有很广的应用前景。为解决相机电池不能满足闪光灯大电流的要求，安森美半导体推出了经过优化的超级电容闪光驱动器NCP5680，可为相机的闪光灯和视频摄像灯提供达10 A的大电流[37]。耐普恩公司将超级电容器和光伏路灯结合，推出了超容光储一体灯，如图14所示，该路灯能高效利用光伏发电板产生的电能，具有超宽的工作温度，使用寿命达到10年以上。Maxwell与Celadon合作开发了超级电容遥控器等产品。遥控器最初是通过使用两个AAA电池来操作的，而超级电容器则使其具有快速充电功能[38]，且充电周期中断时没有损坏的风险。

图14 耐普恩超级电容光伏路灯

超级电容器在便携式电子设备中可作为短时断电的后备储能装置，可以满足热插拔、数据保存和传输功能。Tecate集团的超级电容器可为便携式音频播放器、设定盒、遥控器、可充电式手电筒供电，还可为GPS设备提供短期电源，允许设备进行热插拔。

超级电容器在智能表领域的掉电预警、表计RTC等方面也有广泛应用。国网单相电能表要求使用超级电容器进行RTC时钟能保持48 h以上，以超级电容器为备用电源的盛帆单相电能表停电后能保持时钟正常运行240 h以上，盛帆单相电能表及其可更换电容如图15（a）所示。行车记录仪为了在主控电源意外掉电后仍能记录数据，需要内置一个后备电源，如图15（b）所示。除此之外，当商用收款机突然出现断电时，需要保证数据的正常通讯与读写，并能进行短时间IC读写卡的操作过程，这时也需要有超级电容器做后备电源进行掉电保护。

图15 超级电容器在掉电保护中的应用

2.5 数据存储领域

在计算机与内存的使用过程中，为防止突然掉电对数据、系统或者硬件产生不利影响，通常在硬件上采用备用电源来进行缓冲。与电池相比，超级电容具有充电时间短、循环寿命长、响应速度快等优势，在数据存储领域的掉电保护中的应用越来越广泛[39]。

在固态硬盘（SSD）、磁盘阵列系统（RAID）、随机存取存储器（RAM）中均可采用超级电容器作为备用电源来提供掉电保护[40]。以SSD为例，当主机需要存储数据到SSD中时，首先会将数据存储到缓存中，SSD控制器将缓存中的数据写入闪存中。若在数据存储过程中发生突然断电，轻则丢失数据，重则导致SSD文件系统崩溃，导致主机无法识别[41]。若采用了超级电容器作备用电源，可以在SSD突然断电之后，由超级电容器（图16）对其进行供电，给SSD控制器足够的时间将缓存中的数据写入闪存，进而防止数据的丢失和文件系统崩溃。

图16 超级电容系统应用在固态硬盘中

3 超级电容器应用中存在的问题

超级电容器凭借其自身独特的优点，在交通、国防、内存、医疗、工业、电力能源、日常应用等各行各业都得到了广泛应用。但超级电容作为新兴的储能元件，在应用中还存在需要解决和改善的问题。

3.1 能量密度低限制应用范围

超级电容器的额定电压低、能量密度低，导致其所能储存的能量比较有限，相比于蓄电池存在很大的差距，这是阻碍超级电容器获得更大范围应用的主要原因之一。随着超级电容器的不断发展，改进超级电容器的制造工艺和技术对其能量储存能力的提升已逐渐变小。比较行之有效的方法是对超级电容的核心组成材料进行迭代更新，不断开发出新型的电极材料、电解质材料，或者使用由两种不同电极材料组成的混合超级电容器[42]。另外，由蓄电池和超级电容器组成的集成系统也取得了较大的成功。电池和超级电容器两者各自遮蔽了对方的缺点，电池电极具有储能优势，超级电容电极具有功率密度优势，这就形成了一个功率和能量密度更高的系统。

3.2 超级电容器模组中的单体电压不一致

超级电容器面临的另一个较大的问题是单体电压不一致。超级电容单体能量密度和额定电压低，单体电压无法满足系统电压需求，因此通常需要将超级电容单体进行串并联组成超级电容组使用[43]。然而超级电容单体性能存在差异，在串联使用过程中会带来超级电容端电压不一致现象。如果出现超级电容过压、过充的情况，会大幅减少其使用寿命，甚至带来超级电容永久性损伤和更大的电压偏离[44]。为了改善单体不一致性问题，一方面可以通过提高同批次成组的超级电容器单体的不一致性检测能力，将充放电性能最接近的超级电容器分成一组；另一方面可通过使用超级电容器储能系统的均压管理系统对各单体电压进行均衡，及时消除超级电容单体间的电压差距，使超级电容单体电压保持在正常稳定的范围内[45]。

4 结语

超级电容器作为介于传统电容器和蓄电池之间的新型绿色储能器件，在过去的几十年中取得了巨大的发展，在各行各业都取得了广泛的应用。超级电容器若想取得更加广阔的应用空间，需要解决其面临的能量密度低和单体电压不一致等问题。比如，利用各种技术探索开发新型超级电容器材料，优化单体制作工艺或者开发新型非对称混合电容器等来提高超级电容器的能量密度；继续提升超级电容单体及成组模块性能以及降低生产成本；制订切实可行的行业标准、国家标准等为超级电容产业的健康发展提供保障等。随着人类环保意识的提高和传统燃料价格的上涨，超级电容器的应用将会越来越多，并有望成为未来的理想储能元件。