学术干货丨超级电容器用在何处
化石能源消耗和气候变化的大环境下，可再生能源的探索、新储能器件的开发成为现阶段引人注目的话题。超级电容器，作为电化学储能器件的潜力股不断被提及。为提高超级电容器的储能性能，研究者对其进行了各方面探究，包括理论层面的储能机理研究、高储能电极材料的制备、混合型超级电容器的开发等。很多人会问，这么多研究都有实际应用吗？下面就主要回答这个问题，超级电容器究竟用在何处[1]。
1.超级电容器的简介
超级电容器分类，按其储能机理可分为3种，分别为双电层电容器（EDLC）、赝电容器和混合型电容器，看图！而按照电极对称性有可以分为对称型和非对称型两种。
图1 超级电容器（电化学电容器）分类[2]。
为什么超级电容器有其独特的储能优势呢？首先，超级电容器利用物理存储电荷或表面发生快速、可逆的氧化还原反应来实能量存储，而由于物理存储电荷不依赖化学反应速率，超级电容器拥有近乎无限的寿命（百万次充放电循环）。由Ragone图可知，超级电容器功率密度远高于锂离子电池，可达15kW/kg。且具有较宽的工作温度范围，因此超级电容器在一些要求高功率的领域有着独特的应用优势，倍受青睐。
图2 不同电化学储能系统的Ragone图[3]。
2.超级电容器应用
目前，研究超级电容器的国家主要包括中国、日本、韩国、美国、法国、德国等。在技术水平与制造规模上，亚洲处于暂时领先的地位。我国虽起步较晚，但随着重视程度的加深，目前研究方面已取得较为显著的成果，在一些高需求领域已得到良好的应用。超级电容器常见的应用领域包括：消费电子、后备电源、可再生能源发电系统、轨道交通领域、军事装备领域、航空航天领域等[4]。应用较为广泛、具有开发前景的是双电层电容器和混合型电容器，下文主要介绍与此二者相关的应用。
2.1 双电层超级电容器的应用
目前EDLC的制作、生产工艺最为成熟，发展前景最为宽广。国内双电层电容器生产厂家主要包括中国中车、今朝时代、北京集星、上海奥威、北京合众汇能、锦州凯美、湖南耐普恩、天津力神等。
可再生能源领域的应用
在可再生能源领域的应用主要包括：风力发电变桨控制，提高风力发电稳定性、连续性，光伏发电的储能装置以及与太阳能电池结合应用于路灯、交通指示灯等[5-6]。EDLC因其长寿命、高功率等特性，能够适应风能和太阳能的大电流波动，提高供电的稳定性和可靠性[7]。
工业领域的应用
主要用于叉车、起重机、电梯、港口起重机械、各种后备电源、电网电力存储等方面[25]。叉车或起重机启动时EDLC存储的能量提其升降瞬时功率损耗。同时储存在双电层电容器中的电能可以辅助起重、吊装，从而减少油的消耗及废气排放，并可满足其它必要的电气功能[8]。且EDLC能够实现电梯、港口机械设备等在上升过程中的瞬间提升启动能量以及下降过程中的势能回收[9]。
图3 EDLC在重型机械领域的应用
EDLC也可用于动力UPS储能。EDLC可以在数分钟之内充满电，其高功率密度输出特性使其在某些特殊情况下成为良好的应急电源。在重要的数据中心、通信中心、网络系统、医疗系统等对电源可靠性要求较高的领域，均需采用UPS装置克服供电电网出现的断电、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动等故障。EDLC可克服通常用于UPS装置中的储能部件(铅酸蓄电池、飞轮储能和燃料电池等[10])在电源出现故障瞬间启动慢、寿命短、维护费用高的缺点。
EDLC储能系统可以有效地将负荷低落时产生的多余电能进行储存，并在负荷高峰时将电能回馈，以调整功率需求。将其作为微电网的能量缓冲环节，可充分地利用负荷低谷时机组的发电，同时可避免安装发电机组来满足峰值负荷，避免浪费。由于EDLC优异的性能使得其比蓄电池更适合处理尖峰负荷，能够提供有效的备用容量改善电力品质，改善系统的可靠度、稳定度[11]。
轨道交通领域的应用
EDLC在轨道交通领域中的应用主要包括有轨电车、地铁制动能量回收装置、内燃机车和内燃机动车组启动以及卡车、重型运输车等车辆在寒冷地区的低温启动等[12]。
图4 EDLC在轨道交通领域的应用
地铁列车由于站间距较短，制动频繁，制动能量相当可观，采用超级电容作为储能器件作为制动能量回收装置，替代制动电阻储存能量，列车启动的时候再释放出来，可实现地铁节能。由中国中车承担的863项目中所研发的3V/12000F超级电容器已在储能式有轨电车和地铁的能量回馈系统中应用，使能量在储存转化与回收方面的效率进一步提高。
内燃机车柴油机的启动是由铅酸蓄电池供电，在柴油机开始转动的瞬间，蓄电池要大电流深度放电，对蓄电池的使用寿命将产生很大影响。蓄电池的使用温度在20℃以上、寿命低于500次，尤其在环境温度比较低的情况下因其电流释放能力下降机车起动会受到影响。相比EDLC使用温度较宽（40～65℃）、使用寿命超长，可替换铅酸电池用于内燃机车低温启动系统，可在低温条件下的频繁启动，减少了空载待机时间，实现“熄火待命”使用寿命长达10年。
2.2 混合型超级电容器的应用
现用到的电动汽车的动力源主要包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。这类动力源能量密度高、行驶里程长，但是其存在充放电时间长、倍率性能差、工作寿命短等不足。与之相比，EDLC具有功率大、充电速度快、输出功率大、制动能量回收效率高的有点。电动汽车或混合动力汽车在加速过程中，二者组成的混合动力系统EDLC可以提供瞬时脉冲功率，极大地减少汽油等燃料的消耗，并且提高电池使用寿命[1]。
混合超级电容器（HSC）在国防、航天航空、汽车工业、通信、电力、铁路和消费电子等方面应用前景十分广阔。其具有容量大、能量密度高、循环寿命长、充放电电流大的特点，主要被用作主电源、备用电源以及储能系统等。
图5(a)为2006年投入运营的超级电容器作为动力源的上海11路超级电容公交车。图5(b)为以中国中车生产的混合型电容器为主电源的超级电容公交车，公交客车的超快充续航能力得到提高。图5(c)所示为湖南耐普恩公司推出的能量型电池电容储能式路灯，该公司已将混合型超级电容器储能系统应用于光伏照明工程，将白天光照能量储存用于夜间照明，实现了全天候照明。充分发挥HSC的长循环寿命、大储存能量的优点。图5(d)所示为混合型超级电容器用作地铁后备电源的实例，功率型电池电容与铅酸电池能量密度相当，但其充电速度快，寿命是铅酸电池（400次左右）的几十倍。
图5几种混合型超级电容器的应用
3.展望
随着对超级电容器研究的不断深入、技术的不断发展，因其具有的性能优势不同类型超级电容器的应用领域将会越来越广。在各项先进技术的支持下，随着超级电容器储能器件的不断开发，为满足不同领域、不同使用需求其各项性能指标也在不断的突破。以高性能超级电容器代替传统的电化学储能器件将成为其发展趋势，为实现绿色、可持续发展做出贡献。也将逐渐改变人们的生活。
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本文由材料人编辑部学术干货组Starkle供稿，材料牛编辑整理。
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