“近幾年的快速發(fā)展，更進(jìn)一步證明超級(jí)電容器不僅是一種可行的，甚至是更理想的設(shè)計(jì)選擇，在越來越多的行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，其前景十分廣闊。” Maxwell應(yīng)用工程部高級(jí)應(yīng)用工程師李毅山博士如是說。
雙電層電容是各大企業(yè)主攻方向
據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同，超級(jí)電容可以分為雙電層電容(Electrical Double-Layer Capacitor，EDLC)和法拉第準(zhǔn)電容兩類。目前EDLC市場(chǎng)上常見的類型以扣式、筒狀型以及層壓式結(jié)構(gòu)為主。
村田（中國）投資有限公司產(chǎn)品工程師吳海華稱，普通的扣式或筒狀型超級(jí)電容由于漏電流大，ESR高，厚度高等缺點(diǎn)，不適于應(yīng)用于具有大電流放電需求，或使用電池的便攜式類設(shè)備中。通常這類超級(jí)電容的封裝性差，在耐濕性,耐高溫可靠性方面都不盡人意。而層壓式EDLC擁有超低ESR的最適設(shè)計(jì)，高可靠性的封裝，高速地充放電特性以及使用溫度范圍廣等特點(diǎn)，成為目前高端市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。村田專注于層壓式EDLC的研發(fā)。
作為全球超級(jí)電容領(lǐng)域的先行者和領(lǐng)導(dǎo)者，Maxwell專注于超級(jí)電容器的研發(fā)和生產(chǎn)已有20 年的時(shí)間。據(jù)李毅山博士介紹，Maxwell的超級(jí)電容器為雙電層電容，單體容值為1-3400F，圓柱卷繞型。“目前Maxwell應(yīng)用最多的是3000F的大容量單體。” 李毅山稱Maxwell的核心優(yōu)勢(shì)在于全球獨(dú)有的干電極技術(shù)，其生產(chǎn)的單體性能更穩(wěn)定，壽命更長，可靠性更高，且更環(huán)保。此外，Maxwell最新的DuraBlue抗振動(dòng)和沖擊技術(shù)保證了其產(chǎn)品能夠滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的最嚴(yán)酷的振動(dòng)和沖擊環(huán)境。
Maxwell應(yīng)用工程部高級(jí)應(yīng)用工程師 李毅山博士
從結(jié)構(gòu)看，超級(jí)電容器主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線和封裝材料組成，眾所周知，電極材料是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在，它決定著電容器的主要性能指標(biāo)，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。李毅山告訴記者，Maxwell超級(jí)電容器的電極采用的是活性炭原料，“電極材料的選取除了要考慮對(duì)超級(jí)電容器性能的影響，還需考慮市場(chǎng)對(duì)其成本的接受度。”
目前，超級(jí)電容器的生產(chǎn)廠商依然以日、美、韓三國領(lǐng)先，中國起步相對(duì)較晚。廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司（以下簡稱“風(fēng)華高科”）超級(jí)電容項(xiàng)目技術(shù)總監(jiān)朱歸勝指出，當(dāng)前，國內(nèi)超級(jí)電容器企業(yè)與國際性企業(yè)的技術(shù)差距主要體現(xiàn)在關(guān)鍵原材料和極片制造技術(shù)上，但近些年國內(nèi)本土企業(yè)通過不懈的努力，在超級(jí)電容器制造水平上有了很大的提高，在某些領(lǐng)域也達(dá)到了國際先進(jìn)水平。朱歸勝認(rèn)為，對(duì)于我國超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)，未來加強(qiáng)超級(jí)電容器新型電極材料的研發(fā)，并降低生產(chǎn)成本，提高超級(jí)電容器的品質(zhì)和積極發(fā)展模組應(yīng)用技術(shù)將是我國超級(jí)電容器企業(yè)追趕甚至是超越國際巨頭的必經(jīng)之路。
應(yīng)用前景廣闊 新能源等領(lǐng)域潛力大
和電池相比，由于能量密度較小，考慮到成本和空間的影響，超級(jí)電容雖然在一些應(yīng)用中仍是擔(dān)當(dāng)輔助的角色不能完全替代電池，但對(duì)于眾多受電池限制的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容可以說是硬件工程師的一個(gè)福音。
“超級(jí)電容可作為停電時(shí)的備用電源，或在峰值功率輸出時(shí)提供電力，亦可在便攜式類設(shè)備中輔助電池延長電池壽命。”吳海華稱，除了最常見的在停電時(shí)作為備用電源用于企業(yè)級(jí)SSD、服務(wù)器等需要斷電數(shù)據(jù)備份的設(shè)備中，小型化高可靠性的層壓式EDLC在以下領(lǐng)域中也擁有廣闊的應(yīng)用前景：
村田（中國）投資有限公司產(chǎn)品工程師 吳海華
一是，應(yīng)用于瞬間需要大電流放電的設(shè)備中，進(jìn)行峰值輸出輔助, 如LED閃光燈設(shè)備，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)備等。雖然電池具有較高的能量密度，但由于功率密度有限，頻繁的大電流放電會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。村田的EDLC具有較高的功率密度，不僅可以實(shí)現(xiàn)10A以上的大電流放電，其超低的ESR幾乎可以忽略放電瞬間的電壓降影響。即便是在低溫的情況下，內(nèi)阻也不會(huì)像電池大幅上升。
二是，具有WiFi或GPRS等無線通信功能的使用電池的設(shè)備中，EDLC可用于輔助通信時(shí)的大功率從而延長電池壽命。 這類設(shè)備通常對(duì)于漏電流和小型化的封裝都有較高的要求。村田EDLC在業(yè)界首屈一指的超低漏電流，最薄3.2mm的緊湊型封裝都是這類設(shè)備的最佳選擇。比如近來備受關(guān)注的穿戴式醫(yī)療設(shè)備, 智能三表行業(yè)等也大有用武之地。
三是，新能源領(lǐng)域的能量采集設(shè)備。典型的應(yīng)用就是在光伏發(fā)電或者具有太陽能充電功能的設(shè)備。在日間利用從太陽光的光能轉(zhuǎn)化成的電能為EDLC充電，必要時(shí)刻釋放預(yù)先存好的電量，靈活的充放電有助于取代電池或者有效降低電池維護(hù)成本。此類應(yīng)用中，由于設(shè)備長期處于陽光直曬的地方，所以對(duì)于元器件高溫保證具有較高的要求。而村田EDLC則能保證在到-40 ℃～+85℃之間正常工作，即便在持續(xù)70度的高溫下也能保證5年的產(chǎn)品壽命（干涸壽命）。
據(jù)李毅山介紹，目前Maxwell的主要應(yīng)用領(lǐng)域是混合動(dòng)力公交車，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，軌道交通和小汽車。“不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β?、能量、電壓、振?dòng)、溫度等的要求不同，要根據(jù)實(shí)際要求選擇不同的產(chǎn)品。” 李毅山稱，以公交車為例，除了對(duì)頻繁充放的大電流能力要求高，其對(duì)抗振動(dòng)的要求也很苛刻，因此Maxwell開發(fā)了業(yè)界領(lǐng)先的Durablue高抗振動(dòng)和沖擊技術(shù)以滿足該應(yīng)用的需求。
不過，李毅山同時(shí)也指出，實(shí)際超級(jí)電容器的使用，除了利用其快速充電的特點(diǎn)，還要考慮其能量、體積、形狀以及成本。隨著超級(jí)電容器技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越廣。“不斷有來自更多領(lǐng)域的新客戶與Maxwell 接洽，尋求超級(jí)電容器的新應(yīng)用和解決方案，如：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、UPS、風(fēng)場(chǎng)/光伏場(chǎng)、微電網(wǎng)等領(lǐng)域。”李毅山如是說。
作為世界電子元器件的專業(yè)制造商，風(fēng)華高科于2014年也開始啟動(dòng)超級(jí)電容這一項(xiàng)目。“風(fēng)華高科將以應(yīng)用于工業(yè)電子、汽車電子、消費(fèi)電子以及新能源領(lǐng)域的高品質(zhì)超級(jí)電容器為主要產(chǎn)品，致力于成為超級(jí)電容器相關(guān)產(chǎn)品的專業(yè)制造商，為客戶提供專業(yè)解決的方案。” 朱歸勝表示，“當(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)用的重點(diǎn)在通信和消費(fèi)電子領(lǐng)域，同時(shí)在軌道交通、汽車啟停技術(shù)等領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展，未來在交通運(yùn)輸和可再生能源領(lǐng)域?qū)?huì)有更大的發(fā)展空間。”
毫無疑問，超級(jí)電容的應(yīng)用前景十分光明，一旦新能源汽車等應(yīng)用全面打開，市場(chǎng)將迎來快速的爆發(fā)。
大容量、高功率、高電壓等是發(fā)展方向
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，鋰電池的能量密度在110-150wh/kg，但超級(jí)電容普遍只有10wh/kg左右。換言之，超級(jí)電容的續(xù)航里程只是相同重量鋰電池的十分之一左右。由于超級(jí)電容的能量密度有限，除公交、地鐵等既能搭載大量超級(jí)電容又有固定線路的交通工具外，超級(jí)電容作為乘用車的主動(dòng)力源還有點(diǎn)力不從心。不過，二者相配合可以實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果。李毅山指出，超級(jí)電容和電池有不同的技術(shù)特點(diǎn)，它們之間是互相補(bǔ)充的關(guān)系。“在某些場(chǎng)合只需要超級(jí)電容器即可，但有些場(chǎng)合則需要同時(shí)使用：利用它們的技術(shù)互補(bǔ)，即電池的高能量密度和超級(jí)電容的高功率密度，為眾多行業(yè)的應(yīng)用提供更為高效的解決方案。”
李毅山指出，超級(jí)電容器在功率密度、能量密度、電壓和溫度等方面需要不斷提高，以滿足客戶和市場(chǎng)對(duì)超級(jí)電容器日益增長的技術(shù)要求。他稱，這些方面也是Maxwell目前研究的重點(diǎn)。近兩年，Maxwell提高了其單體的電壓水平、能量密度和功率密度，使其產(chǎn)品效率更高，應(yīng)用范圍更廣。
朱歸勝稱，從技術(shù)發(fā)展上看，當(dāng)前超級(jí)電容器主要包括有雙電層超級(jí)電容器和混合型超級(jí)電容器，隨著超級(jí)電容器電極新材料，如石墨烯、氮化鈮等新型超級(jí)電容器電極材料的發(fā)展，混合型超級(jí)電容器將是未來幾年發(fā)展的一個(gè)重要方向。另一方面，未來超級(jí)電容器將在小微型化、薄型化和超低漏電流以及大容量、高電壓、寬溫度適應(yīng)范圍等方向發(fā)展。特別是針對(duì)一些特殊應(yīng)用環(huán)境，高溫特性在90℃或更高的超級(jí)電容器產(chǎn)品將有會(huì)有更大的應(yīng)用和發(fā)展空間。
李毅山認(rèn)為，隨著超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其地位將會(huì)日趨重要。“這也是世界上許多一流的電力企業(yè)、汽車制造商和技術(shù)制造商的共識(shí)。Maxwell全球數(shù)以百萬計(jì)的超級(jí)電容器銷售量足以證明這一點(diǎn)。”李毅山說，根據(jù)市場(chǎng)的反饋，超級(jí)電容器是性價(jià)比很高的產(chǎn)品。Maxwell一貫致力于通過技術(shù)革新，在確保高質(zhì)量的基礎(chǔ)上來降低成本。此外，產(chǎn)量的增加也有助于生產(chǎn)成本的下降，這同時(shí)也會(huì)推動(dòng)超級(jí)電容器行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步。
在巨大的市場(chǎng)前景面前，本土上市公司法拉電子、江海股份早已積極布局。據(jù)悉，法拉電子的超級(jí)電容已經(jīng)研制成功，現(xiàn)正在和混合動(dòng)力汽車制造商合作試商用超級(jí)電容儲(chǔ)能混合動(dòng)力系統(tǒng)；江海股份的超級(jí)電容器目前已有兩條生產(chǎn)線量產(chǎn)。此外，風(fēng)華高科的超級(jí)電容也已開始面向市場(chǎng)銷售。新宙邦、深圳惠程等上市公司在超級(jí)電容方面也均有儲(chǔ)備。
