許久沒在行業內活躍的超級電容器又有了新的訊息。

2月初，澳大利亞昆士蘭科技大學的研究人員設計出了一種新的混合超級電容器，在保持超高充電功率的基礎上，能量密度相比此前的超級電容器顯著提升，已經接近鎳氫電池。

但儘管如此，不到目前主流動力電池三分之一的能量密度，仍然未能解決其“充得快、跑得不遠”的問題，仍然無法讓其作為新的電池方案應用於電動汽車的動力輸出。

充電超級快的超級電容器

從技術上來看，超級電容器屬於第三代儲能裝置。第一代為機械式儲能，如飛輪、發條等；第二代為化學式儲能，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等；而第三代就是以超級電容器為代表的物理式儲能裝置。

超級電容器的“前身”當然是電容器。兩個相互靠近的導體作為電極板，中間夾一層不導電的絕緣介質，這就構成了電容器。當電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。

電容器原理

超級電容器則是在傳統電容器基礎上，在兩個極板之間加入電解液和隔膜，同時極板材料應用活性更好的活性炭、金屬氧化物等，在實現電容器儲存電荷功能的基礎上，將其升級為可供充放電的電池，同時顯著加大電荷儲存效果。

目前，超級電容器主要分為三種——雙電層電容器、法拉第贗電容器和混合超級電容器。

雙電層電容器原理

雙電層電容器保持了電容器最大的特性——物理儲能，即電解液與極板之間不是像目前的化學電池如鋰離子電池一樣，產生“嵌鋰脫鋰”的化學反應實現充放電，而是利用極板電荷與電解液離子的極化作用實現充放電。

這也是超級電容器的最大的特點，此種物理儲能由於不涉及化學反應，能夠實現更快速的充放電速率。同時，由於沒有化學反應，電極材料可以擁有更長的壽命。

兩個最明顯的資料可以說明超級電容器的效能優勢。超級電容器的功率密度（代表充電能力）是鋰離子電池的25~60倍。當前，鋰離子電池的快充速度普遍在1小時左右，而超級電容器能夠實現分鐘級別甚至秒級的充滿速度；鋰離子電池的重複充放電次數一般在2000次左右，而超級電容器則能達到100萬次以上。

但雙電層電容器也有致命的缺點。其難以儲存更多的能量，雖然充的快，但充的電量少。超級電容的能量密度在4~8Wh/kg，不到鋰離子電池的1/10（100~300Wh/kg）。

也就是說，其充滿一次電也就是能跑幾十公里。

為了解決這個問題，就有了第二種超級電容器——法拉第贗電容器。其是以“準電容-準電容”為主要機制，在電極表面的二維或準二維空間上，正極和負極表面分別以金屬氧化物的氧化/還原反應為基礎或以有機半導體聚合物表面摻雜不同電荷的離子為基礎，產生與電極充電電位有關的電容。

由於產生了電化學反應，在相同的電極面積的情況下，法拉第贗電容器的容量是雙電層電容的10—100倍，同時本身電容器的結構也能實現較好的充放電速率。

而混合超級電容器則是更進一步，一個極板上採用雙層電容器結構，另一個極板上採用有電化學反應的結構，實現充電功率和能量密度的雙重平衡。

這也是此次昆士蘭科技大學在研究的超級電容器型別。資料顯示，經過測試，該電容器能量密度達到73Wh/kg，比早期的超級電容器能量密度實現了數十倍的提升，接近鎳金屬氫化物電池，也接近達到目前高能量密度鋰離子電池的30%，而其功率密度（充電能力）是鋰電池的10倍左右。

技術有突破，但產業化路徑還很漫長

基本原理了解後，我們來看看產業應用的情況。

目前來看，儘管超級電容的技術研究有所突破，但產業發展仍然緩慢滯後。

事實上，超級電容器上一次引起行業關注還是兩年前特斯拉以 2.18 億美元溢價 55% 收購Maxwell的時候。

Maxwell製造的超級電容器

不同於像固態電池這樣的前沿技術被眾多初創公司所追逐，Maxwell已是超級電容器領域的老玩家。其前身是 1965 年成立的 Maxwell 實驗室，總部位於美國聖地亞哥，最初主要為美國軍方和其他政府機構提供研發服務，1990 年代轉向技術和產品商業化應用，目前主要業務領域涉及超級電容器和乾電極技術等。

在被特斯拉收購之前，Maxwell曾經在中國市場風光一時。2007年國內開始推廣新能源汽車時，作為主力的新能源公交車上曾大規模的使用超級電容器。

彼時，超級電容器仍然是“超高充電功率、超低能量密度”的情況。而當時的新能源公交車主要為混合動力模式，超級電容器不作為主要動力系統，而是在公交車制動進行能量回收時，將制動能量迅速儲存在超級電容器中，實現節能效果。

但後來情況發生了變化，2013年後，國內新能源汽車開始以能量密度高低進行補貼，擁有更多優勢的純電動汽車開始受到更多關注，而這正是超級電容器的軟肋，Maxwell在中國開始遇冷，營收大幅下滑。

而從當前超級電容的應用來看，儘管能量密度已在提升，但真正作為核心動力代替鋰離子電池還有些遙遠。

從資料來看，昆士蘭科技大學最新研發的超級電容器73Wh/kg的能量密度是目前已知的最優超級電容。

但按照這個資料，儘管充電功率是普通電池的10倍左右，能夠實現幾分鐘內將電充滿，但此種能量密度下，也只有150公里的續航，仍然不理想。充電5分鐘跑150公里，和充電半小時跑500公里相比，顯然並沒有更多優勢。

而且，這還是未走出實驗室的最優資料。

同時，目前來看，超級電容器仍然多用於城市公交的啟停製動回收系統或混動汽車的補充能源中，也有不少企業將其用在光伏、風能等的儲能環境下。從國內一些企業的表現中，我們也能看出不少端倪。

國內有不少超級電容器產業上的企業，如江河股份、新宙邦、奧威科技等。

其中，新宙邦也是Maxwell多年的合作企業。新宙邦有四大主營業務——鋰離子電池電解液、電容器化學品、有機氟化學品和半導體化學品，其中電容器化學品主要是電容器用電解液，長期供應給Maxwell。

但隨著國內鋰電池應用規模的加大，從2015年開始，新宙邦的最大營收已經被鋰離子電池電解液佔據，2019年該產品實現營收11.57億元，在公司營收中佔比49.75%；電容器化學品作為此前傳統優勢產品，受行業及公司轉型影響，2019年營收佔比已降至22.19%。

而作為國內主要的超級電容器製造企業，江河股份在2020年底對投資者的答疑中表示，目前公司超級電容器的主要訂單來自風電和光伏儲能企業；同樣主營超級電容器業務的奧威科技，也表示目前產品成熟應用的領域主要在城市客車、城市軌道交通車輛、電力機車、船舶等領域。

結語

基於技術上的瓶頸，仍然難以實現高能量密度的超級電容器真正應用在新能源汽車顯然還難以在短時間內實現。

當然，技術的研發和產業的推進都需要時間，充電快、續航高的動力電池是行業追求，Maxwell擁有超級電容器技術的同時，其乾電極（電極材料中不摻入溶劑）技術也在不斷研發。

相比當下主流的溼電極（電極材料中摻入溶劑）技術，乾電極技術能使得電池系統擁有更高的能量密度。Maxwell也正在將乾電極技術應用到超級電容器中，致力於提升其能量密度。

技術路徑推進雖慢，超級電容器產業化雖遠，但我們也滿懷期待“充電5分鐘、續航1000公里”的動力電池早日出現。