超級電容器　儲充新未來

杜鵑

輕輕觸碰就能為手機充足電，等待一個紅綠燈的時間就能讓電動車能量滿滿，這些帶有未來科技便捷感的場景其實離我們并不遙遠，奧秘就是它們所搭載的“超級電容器”。有人預言，它將引領下一代電池革命。

2022年，全球超級電容器市場規模將突破615億美元，而在山西，超級電容器產業也正醞釀著巨大的發展機遇，循環壽命達100萬次以上的最新一代石墨烯超級電容器已經中試成功。那么，超級電容器是什么，擁有怎樣的優勢，會給人們生活帶來何種改變，山西如何在這條賽道上跑出加速度？我們來一探究竟——

在上海，一輛電動公交車停站間隙只要一分鐘便能充滿電，續航里程可達10～15公里。在廣州，一輛有軌電車在乘客上下車間隙，就已自動完成充電，用時不到30秒，還能回收制動能量，確保車輛全程不間斷運行。讓這些場景變成現實的奧秘，就是它們搭載的超級電容器。

中科院山西煤化所的中試車間內，年產300萬法拉的超級電容器正在生產。細節決定成敗，制漿是第一道生產工序，從配比到加料順序再到混料時間，每一個環節的微小誤差，都可能造成整批產品不達標。15道工藝流程，上百個關鍵控制參數，每一個技術員都練就了“眼睛就是尺”的絕技。經過漿料制備、極片成型、卷繞封裝、性能測試等工序，不同規格的超級電容器如期下線。

“從材料、器件到工藝流程都是我們自主研發設計的，這批貨馬上要發給電網企業掛機測試，目前年產百萬法拉的中試線已經不能滿足客戶的需求了。”中科院山西煤化所副研究員蘇方遠介紹。

那么，究竟什么是超級電容器？為什么稱它為“超級”？中科院山西煤化所超級電容器項目負責人王振兵左手拿一個普通電容器，右手拿一個藍色的超級電容器說：“這兩個同樣體積和重量的電容器，超級電容器儲存的能量是普通電容器的10萬倍。此外，超級電容器安全性很高，比如在遇到碰撞、擠壓，還有極端的穿擊測試時，它都不會爆炸和起火。它還具有非常好的耐候性，在零下40攝氏度時使用，性能不受影響。”

中國超級電容產業聯盟副理事長、中科院山西煤化所研究員陳成猛認為：“超級電容器典型的特點是具有更高功率密度，這決定了它可以更快速充放電，僅需幾十秒至一分鐘。它的循環壽命也很長，例如把它裝在新能源汽車上，10年后這個車報廢了，但超級電容器拆下來，裝在其他新能源汽車上還能使用。”

電容器就是儲存電荷的容器，人類歷史上最早儲存電荷容器的裝置叫萊頓瓶。1745年荷蘭萊頓大學物理老師馬森布洛克發明了一個結構簡單的玻璃瓶，它的外層與內壁都包了一層金屬箔，兩層金屬箔之間加一層絕緣體就形成了一個電容器，可以儲存電荷。有了這個裝置以后，人們就把摩擦產生的電荷存起來，進行研究，為之后電氣時代的到來奠定了基礎。

“以前超級電容器剛發明的時候，沒有什么應用場景，如今在‘雙碳’背景下，電動汽車、物聯網、智能電網等都呼喚更好的儲能設備，特別是超級電容器這種高頻、長壽命、免維護、高功率儲能器件。”陳成猛講解超級電容器的應用場景后，又描述了它的優越性能，“超級電容器不涉及能量轉換，它直接把電荷通過物理方式儲存到界面上，可以做到10萬次到100萬次充放電后性能不發生明顯衰減。而鋰離子電池等普通的電池類器件，因為內部涉及一些能量轉換，所以每一次循環可能都會有一些損失。”

據了解，超級電容器和普通電池之間存在互補關系：能量密度方面，普通電池更勝一籌，而超級電容器是短板;在功率密度方面，普通電池有不足之處，但超級電容器從循環壽命、安全性、耐候性來看是長處。所以在很多應用場景下，普通電池和超級電容器會被組成混合模組，比如說電動汽車需要加速，或者在下坡的時候，自動能量回收由超級電容器來工作，當在平穩區域續航狀態下的時候，用普通電池作為驅動的電源，它們之間可以良好匹配。

目前，世界上許多國家都在積極開展超級電容器相關的研究開發工作，隨著我國對新能源產業政策扶持力度的加大，超級電容器產業的發展近年來也受到了高度重視。

值得關注的是，中國生產廠商技術的完善和規模化效應逐漸體現，讓越來越多國產超級電容器走向規模化應用。陳成猛認為：“中國是一個比較大的市場，應用的需求牽引力比較強，在這種帶動下，國內涌現出的一系列超級電容器骨干企業，逐步從二線轉入一線，目前中國應該是和國際處于并跑狀態，相信未來我們有能力可以逐步實現領跑。”

“超級電容器里電極材料90%以上都是碳材料，在碳材料領域的研究方面，山西煤化所很有權威，而且目前已經具備了產業化能力，我們希望通過材料器件協同創新，能夠突破超級電容器的關鍵技術，促進整個產業的高質量發展。”王振兵說出研究超級電容器的優勢所在。

料要成材，材要成器，器要好用。中科院山西煤化所的超級電容器項目，就是沿著這樣的路徑走過來的，從料到材再到器，石墨烯基超級電容器不僅實現了好用，而且已經在電網企業掛機測試。

超級電容器具有長壽命、免維護、大電流輸出能力強等優點，更換超級電容器后的配電自動化終端維護成本低，電網自愈可靠性更高。電網企業為什么選擇中科院山西煤化所的超級電容器？廣州南方電力集團科技發展有限公司總裁黎煉這樣說：“我們曾專門到山西對陳成猛團隊的科研成果進行過參觀學習，覺得他的成果具有廣泛的推廣應用價值，除了在計量自動化、配網自動化、智能電網上應用，替代原來的電池，實現免維護，還可以應用在新型電力系統、汽車、輪船上等。”

“目前，我們與南方電網的企業合作開發的幾款電源中，在配電終端電力監測用超級電容器電源這一塊，僅廣州地區目前存量市場大概是一億元，而且每年會以16%的速率增長，整個南網地區市場規模大概在十幾億元以上。我們接下來規劃建立一條自動化程度比較高的超級電容器生產線，把超級電容器這塊蛋糕做大。”王振兵信心滿滿。

山西發展超級電容器產業要怎么做？陳成猛認為：“從整個全產業鏈角度，要構建一個閉環的生態。中科院山西煤化所和美錦能源合作開發的生物制劑電容炭，已經在清徐落地轉化了，依托這個自主可控的材料，下一步再把超級電容器規模化生產，能夠在山西落地，進一步延鏈、補鏈、強鏈。這樣，我們有了核心材料、超級電容器和核心用戶，在一個好的生態內，就可以實現良性、健康、高質量發展。”