行业综述-车用超级电容器

引 言

随着环境和能源问题的日益凸显，发展电动汽车、实现汽车能源动力系统的电气化，在国际上已经形成了共识。2018年7月的新闻发布会上，工信部表示将全面落实国务院印发的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，继续加大新能源汽车推广力度，争取2020年实现产销量达到200万辆左右的目标。

超级电容器具有高比功率、长循环寿命、充电时间短和使用温度范围宽等一系列优势，作为电动汽车的一种较理想的辅助或主动力源已得到了认可，并在新能源汽车领域得到了应用。超级电容器通过与锂离子电池或燃料电池的混合使用，既可满足电动汽车启动、加速和爬坡时的高功率要求，又可延长蓄电池循环使用寿命，实现了电动车动力电池系统性能的优化。在固定路线的短程公交领域，使用超级电容作为主动力源，利用车辆发车间歇时间进行快速充电，满足了电动公交行驶里程的能量需求，实现了全天候无间断运营，最大程度节约了运营成本。

一、2018年车用超级电容器产业的总体情况

根据智研咨询对中国超级电容器行业的调研及预测，截止到2017年中国超级电容器市场规模已突破100亿元，2018年整体市场规模将达到120亿元。

在车用超级电容器领域，国内企业的代表是上海奥威科技开发有限公司。上海奥威科技于2006年在上海率先推出了以超级电容器为主动力源的电动公交车；经过10多年的发展，产品由早期的无机镍炭混合型超级电容器发展到第二代高能量混合型超级电容器，单体能量密度从10wh/kg提高到90wh/kg，一次充电车辆有效驱动距离从3～5km发展到超过了30km。截止2018年上海奥威科技已在运行的超级电容城市电动公交车已超过300多辆，且在以色列、奥地利、白俄罗斯等欧美国家得到了广泛运营。

国外车用超级电容器企业的代表是美国的Maxwell公司，其趁着中国新能源的推广东风，和苏州金龙、郑州宇通等客车企业联合展开了混合动力客车的推广；截止2018年，搭载Maxwell超级电容器的混合动力客车累计已超过10000辆。

随着新能源汽车的热度越来越高，超级电容器从早期的客车领域应用为主逐步过渡到乘用车领域；乘用车制造商对超级电容器也投入了更多的关注目光。2018年1月，世界顶级跑车制造商兰博基尼宣称，将和麻省理工共同开发使用超级电容提供动力的超级跑车。2018年6月，美国超级电容制造商Maxwell宣布与浙江吉利控股建立技术合作关系，将Maxwell最先进的超级电容器和功率转换电子器件整合到吉利全球汽车产品线中，助力吉利汽车电气化战略。而在2018年底，则传来了美国汽车制造商Tesla收购超级电容器制造商Maxwell的消息。

领先的汽车制造商和国际超级电容器企业之间的技术合作，起到了带头示范效应，推动了国内超级电容器企业由客车领域向市场更广阔的乘用车领域迈进。2018年，上海奥威科技、浙江中车新能源、无锡烯晶碳能等企业纷纷开始和乘用车企业展开技术合作，预计2～3年内国内乘用车领域将迎来超级电容器的广泛应用。

二、2018年车用超级电容器技术发展情况

1、2018年车用超级电容器技术发展特点

2018年车用超级电容器的技术发展，主要是两个方向：应用于混合动力领域的更高功率密度和应用于汽车主动力源的更高能量密度。   

对于混合动力领域，双电层电容器凭借突出的功率特性已在国外乘用车stop-star装置中得到了小范围的应用。作为能量回收和起停应用的超级电容器，具有-40～+65℃的宽温度工作范围，能够满足汽车对零部件高可靠性的要求。但相对于乘用车有限的空间来说，汽车制造商更希望超级电容器能够布置在发动机所在的前舱中；这就要求超级电容器进一步提高其工作温度至85℃以满足车载要求。提高超级电容器的上限工作温度和产品耐久性，是2018年超级电容器技术发展的主要特点。

而对于宽工作温度范围的锂离子电容器来说，尽管已经实现85℃的工作温度和产品耐久性，但目前价格仍高居不下，大大限制了其在车用领域的推广。降低锂离子电容器的生产成本以满足市场要求，仍然是当前锂离子电容器技术发展的主要方向。

对于用作主动力源的能量混合型超级电容器，在保持长寿命安全性的前提下、追求更高能量密度和更长的车辆续航里程仍然是当前技术发展的主要方向。上海奥威科技的能量混合型超级电容器技术，已经经历了几代技术产品发展，能量密度从早期的不到10wh/kg提高到最新的90wh/kg，车辆续航里程从早期的3～5km提高到30～40km，能量密度和续航里程都提高到原有的接近10倍左右；产品覆盖了6～8米、10～12米和18米等主流的城市公交领域。随着车辆电子设备和续航里程更多能量的需求，追求更高能量密度的能量混合型超级电容器产品仍然是必须的。

2、2018年车用超级电容器实现的主要技术突破点

2018年上海奥威科技开发有限公司在上海市科委的项目支持下，在已有产品研发的技术基础上，通过对能量混合型超级电容器反应机理的深入研究，选择和开发高容量大比表面积的碳材料、调整优化工艺技术、开发新型电解液和无孔集流体负极预掺杂等技术进行攻关，成功突破了传统超级电容器能量密度的限制，将能量混合型超级电容器的能量密度一举提高到90wh/kg，同时产品仍保持了良好的功率特性和长寿命高安全特点。

在此基础上，奥威科技的车用超级电容器产品跟随国家“一带一路”政策潮流，成功的落地到白俄罗斯明斯克中白工业园，为白俄罗斯和广大前苏联地区的电动公交化发展提供了高性能的车用超级电容器动力源。

清华大学骞伟中教授和南通中天科技进行了超级电容器项目联合攻关，成功开发出了基于石墨烯-离子液体-铝基泡沫集流体的高电压超级电容器技术，将传统双电层电容器的工作电压从2.7V提高到4V，实现了双电层电容器电压的大步突破；同时开发了新型的泡沫铝集流体，突破了国外技术封锁，填补了国产高性能集流体的空白。

3、目前亟需解决的技术难点及解决方案

对车用超级电容器来说，技术发展方向仍然是追求更高能量密度和功率密度、宽温度范围、低成本的产品。当前的车用超级电容器产品，相对主流的车用锂电池来说，能量密度仍然远远不够且价格高昂。

提高超级电容器的能量密度，对双电层电容器来说，开发更高容量的活性炭材料、提高电解液的耐电压能力都有助于提高产品的能量密度。优化电极制造工艺和产品结构设计，有助于提升产品的功率密度；规模化、自动化化生产则有助于价格的进一步降低。对能量型超级电容器来说，寻找更高比容量的材料及复配技术以及电极工艺的优化研究，有助于进一步提高能量型超级电容器的能量密度。低成本材料的开发和规模化自动化生产以降低生产制造成本，有望带来价格的进一步降低。成本的降低和车用超级电容器市场的推广是相辅相成的，二者互相促进。

4、2018年国内外技术差异

目前国内外车用超级电容器技术的发展，方向上各有侧重点。以美国Maxwell为代表的欧美超级电容器企业，更多的将超级电容器应用于混合动力和起停领域；产品以双电层电容器为主，技术上着力于提高车用超级电容器的功率密度和高可靠性。以日本JM Energy为代表的日系超级电容器企业，更多发展活性炭正极/锂电池负极体系的锂离子电容器，这种产品相对于双电层电容器有更高的工作电压和能量密度、工作温度等系列优点，但目前生产过程中的高制造成本不易解决，产品价格往往是双电层电容器的2～3倍；高价格极大限制了产品的应用推广。国内的车用超级电容器企业，技术发展则更多偏向于电池/电容的能量混合型超级电容器，结合锂离子电池和超级电容器的双重优点；兼顾高功率高能量密度的能量混合型超级电容器，更符合国内市场需求，在新能源汽车和轨道交通、特种车辆和舰艇船舶等领域中得到了广泛应用。

三、未来几年车用超级电容器技术发展趋势

车用超级电容器的发展目标，是在保持长寿命高安全高可靠性的前提下，不断的追求更高能量密度更高功率密度的产品。基于这一目标，目前技术的发展趋势主要有以下几方面：

1、高性能低成本的碳材料

碳材料是超级电容器最核心的关键原材料，无论是双电层电容器、锂离子电容器还是能量混合型超级电容器，更高容量、长寿命、低成本的活性炭材料都是必不可少的组成部分。目前常见活性炭材料原材料主要是两种：常规容量低成本的椰壳炭和高容量高成本的焦炭。开发出高容量低成本的活性炭材料，是超级电容器行业技术一直在追求的目标。

2、先进的电极制造工艺

超级电容器最核心的技术就是电极制造工艺。高性能的电极制造工艺，能够带来产品性能的极大提升。2018年美国Tesla汽车接洽收购超级电容器制造商Maxwell，据说看中的就是其核心的干电极制造工艺。

3、宽温度高电压的电解液技术

工作温度达到85℃的超级电容器电解液，在车用领域有迫切的需求；提高超级电容器的耐电压能力，对提高产品的能量密度最为直接。小容量的超级电容器已经从传统的2.7V工作电压提高到3.0V，但大容量的超级电容器3.0V还存在不少的问题；开发高性能的电解液迫在眉睫。

4、更优的电极复配技术和正负极配比优化

对锂离子电容器和能量混合型超级电容器来说，电极的复配和正负极配比优化，意味着能量密度的提升和长寿命的保证。研究电极复配技术和正负极配比优化，不断提高锂离子电容器和能量混合型超级电容器的能量密度，是车用超级电容器行业追求的目标。

四、未来市场需求分析预测

随着国内新能源汽车的大力推广和普及，在领头企业的带动下，未来车用超级电容器的市场有望加速发展。根据统计，从2012～2018年，超级电容器行业的复合增长率为35%左右，市场规模从2012年的16亿元增长到2018年的120亿元；相信在未来五年内，随着车用市场的推动，车用超级电容器的复合增长率有望达到50%左右。

五、其他方面

超级电容器从1957年Becker申请第一个专利开始，发展到今天已经有60年的历史；在21世纪随着电子行业和新能源的发展得到了高速推广。相信随着未来5G技术和物联网、装备制造、新能源汽车等领域的推动，超级电容器的市场会呈现急速的增长。对车用超级电容器企业来说，既是良好的发展机遇，也需要进一步加大研发力度生产出更符合新能源汽车需求的车用超级电容器，促进超级电容器行业的发展。

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