超级电容器行业市场分析与技术现状研究
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第
3期
2009年
9月机电元件
ELECTROMECHANICALCOMPONENTSVol1
29No1
3
Sep1
2009
收稿日期
:2009-08-25研究与设计
超级电容器行业市场分析与技术现状研究
胡 晓
(电子科技大学
,四川 成都
611731)
摘要
:随着社会经济的发展
,人们对能源功率和能源效率的要求越来越高
,对生态环境也越来越关注。目
前国家对超级电容器产业的政策趋于明朗
,扶持力度不断加大
,而超级电容器技术进步也越来越快
,产业化成
功案例越来越多。超级电容器市场也已明显升温
,正从低端市场逐步向中、高端市场迈进
,超级电容器势必成
为电池能源业的一颗新星。本文通过对多家相关企业进行实地调查
,并对其技术工艺、生产流程、投资规模、
产值利润等关键参数进行了统计分析。本文不仅对国内从事电池能源业的中小型企业进军超级电容器领域
,改
进超级电容器生产技术
,把握超级电容器市场动向有着指导作用
,对国家规范和优化超级电容器行业市场也有
借鉴意义。
关键词
:超级电容器
,双电层电容器
,新型储能元件
,锂离子电池
中图分类号
:TM58 文献标识码
:A 文章编号
:1000-6133(
2009)
03-0017-10
1 引 言
超级电容器作为一种新型的储能器件以其大容
量、高功率密度、强充放电能力、长循环寿命、使用温
度范围宽、无污染等许多显著优势在很多领域有着
极为广阔的应用前景。本文从详实的数据入手将超
级电容器行业市场与技术现状综合起来
,进行了全
面深入的研究并对其发展作出了科学的预测。同
时
,本文还基于当前国内的实情对产业技术中存在
的漏洞提出了较好的解决方案
,对技术的改进及产
业的优化给出了合理的建议
,并预见性的提出将锂
离子电池技术与超级电容器技术结合起来研究推广
的新思路。本文不仅对国内从事电池能源业的中小
型企业进军超级电容器领域
,改进超级电容器生产
技术
,把握超级电容器市场动向有着较强的指导作
用
,对国家规范和优化超级电容器行业市场也有借
鉴意义。
2 超级电容器简介21
1 超级电容器结构及工作原理
超级电容器又称超大容量电容器、电化学电容
器或双电层电容器(英文名称为
EDLC,即
Electric
DoubleLayerCapacitors)
,是一种介于电池与普通电
容之间兼备二者特点的新型储能器件。
电容器不同于电池
,在充放电时不发生化学反
应
,电能的储存或释放是通过静电场建立的物理过
程来完成的
,电极和电解液几乎不会老化
,因此使用
寿命长
,并且可以实现快速充电和快速大电流放电。
但原有的电容器的容量只能达到微法的数量级
,能
存储的能量极小
,只能作为电子设备中的滤波、交流
耦合器件、振荡电路元件等。而超级电容器储存电
荷的能力比普通电容器高出了近
3~
4个数量级
,这
也是其被称为“超级”的理由。
大容量使超级电容器能像传统电池一样储存能
量
,并具有普通电容器充放电速度快、效率高、对环
境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高
等特点。
21
11
1
超级电容器的结构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
,其结构与电解电容器非常相似
,
它们的主要区别在于电极材料。超级电容器多孔化电极一般采用高比表面积活性炭粉或活性炭纤维
,
电解液则多采用有机电解质
,如丙烯碳酸脂或高氯
酸四乙氨。
图
1
超级电容器和电解电容器的主要结构
21
11
2 超级电容器的工作原理
当外加电压加到两个极板上时
,与普通电容器
一样
,超级电容器正负极板会分别产生正负电荷
,在
两极板电荷产生的电场作用下
,电解液中的电荷会
重新分布
,并在与电极的接触界面上形成以极短间
隙排列在相反位置上的相反电荷
,以平衡电解液内
电场
,从而形成特殊的双电层电荷分布结构(
Double
Layer)。
而超级电容器是从多孔碳基电极材料得到其储
存电荷面积的
,它每克的表面积可高达
2000平方
米。而超级电容器中电荷分隔的距离是由电解质中
的离子大小决定的
,其值小于
10埃。巨大的表面积
加上电荷之间非常小的距离
,使得超级电容有很大
的电容量。工作时
,在可极化电极和电解质溶液之
间界面上形成的双电层中聚集的电容量
C由下式确定
:
C=[fε
4πδ]d
s
式中
,ε
为电解质的介电常数
,δ
是电极界面到离子
中心的距离
,s是电极界面的表面面积。
随着超级电容器放电
,正负极板上的电荷被外
电路泄放
,在电解液界面上的电荷相应减少
,所以充
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。
21
2 超级电容器的优势
超级电容器的特点决定了它相对其他储能装置
具有极强的优势。它不仅功率密度非常高
,储存电
荷的能力比普通电容器高得多
,并具有充放电速度
快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范
围宽、安全性高等特点。表
1 各种充电储能电池与超级电容器性能的比较
超级电容器铅酸蓄电池镉镍电池镍氢电池锂离子电池
燃料电池
充电时间
/h10秒~几分钟(极短)
4~
124~
1012~
363~
4—
重复充放电
/次
500000(半永久性)
400~
600400~
500>5001000>500
工作电流极高高高高中低
记忆效应无轻微有有很轻微轻微
自放电率
/%・月-1高
3%中
25%中
20%低
5-10%低
重量能量密度
/Wh・
g-1一般
4~
10
(最新已达
75)305060~
80100~
200>200
功率密度
/W・
kg-1>1000<1000>1000>1000>100035-1000
安全性优一般良良差差
环境零污染有污染基本无污染基本无污染基本无污染零污染81机电元件
2009年 21
3 超级电容器的应用前景
超级电容器无比的优越性决定了它在许多方面
都具有极其广阔的应用前景。主要有以下几个方
面
:
(
1)用于风力
,太阳能等发电的储能系统。新
型能源以其储量巨大和无污染等优势越来越受到人
们的青睐
,但限于自然资源自身特点的影响
,这些能
源也有着天生的缺陷
,它们大都具有间歇性和不可
控性
,易受气候和天气影响
,发电功率难以保证平
稳
,而电力系统要求供需一致
,电能消耗和发电量相
等
,一旦这平衡遭到破坏
,轻则电能质量恶化
,造成
频率和电压不稳
,重则引发停电事故
,所以直接并网
可能会给电网运行带来严重影响。而超级电容器的
出现可以很好的解决这样的问题。它可以作为一种
缓冲器来存储能量
,当某个时间段内发电量大时
,电
网的电力需求却处于“低谷”时期
,此时可以利用超
级电容器来“削峰填谷”
,将“过剩”的电能储存起
来
,在电网负荷高峰期将电能平稳的释放出来。此
外
,这种储能技术还有助于大规模发展新能源离网
式发电。用户可将不稳定的、间断的电力储存起来
,
在需要的时候将电能平稳输出。新能源发电的前途
无可限量的
,而超级电容器也必定在这个领域有极
强的需求。
(
2)用于高能电脉冲技术设备或高能脉冲武器
等。如激光武器的启动需要瞬间高能供应
,几座城
市的电量甚至都无法满足其要求
,而超级电容器这
样的装置能够在平时积蓄能量
,并能在需要时瞬间
以极大电流放电
,这正好符合激光武器能量供应的
要求。
(
3)用作电动车辆的混合型能源。车辆在运行
过程中不同的场合对能量的需求有很大不同。在刹
车、启动、加速、减速、爬坡等时候需要供给电动机瞬时大电流
,而供能电池不能做到瞬间大电流的输出
,
不仅不能适应电动汽车的需要
,还会严重损害电池。
而超级电容器若与燃料电池、锂离子电池等能量供
给器件相结合便能很好的解决这一问题。它不仅能
在短时间产生极大的电流
,还能作为一个缓冲装置
保护电池使其不会因为经常性电流的大变化降低寿
命。另外它还能捕捉并储存下坡滑行过程中的动能
以及刹车和减速过程中减少的动能(而不是将其以
刹车器件发热和机械磨损的形式丢掉了)
,以便在
加速等时候使用。超级电容器能够实现电动车动力
系统性能的最优化。
除此之外
,超级电容器因其零污染的特点可被
用于很多对环保要求高的场合以替代铅蓄电池。超
级电容器快速充电的特性也被广泛应用在各种消费
电子中。
3 超级电容器行业市场分析
31
1 超级电容器的行业分析
超级电容器是能量储存领域的一项革命性发
展
,它改变的不只是电源本身
,在不久的将来必会对
电池能源业乃至整个经济结构产生巨大影响。
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
2
07年、
08年全球超级电容产业规模(单位
:亿美元
)
年份纽扣型卷绕型和大型总规模同比增长
200710.234.84545%
200815.352.267.550%91 第
3期胡 晓
:超级电容器行业市场分析与技术现状研究