电极制备能力是超级电容器生产商的核心竞争力

超级电容原材料主要包括正极、负极、电解液，其中电极制备技术将是超级电容的核心能力，是产业链中难度最高的环节，目前来看电极成本占到整体电容器材料成本的40-50%。

正极：电极材料是影响超级电容器性能的核心因素，决定其功率和能量密度。根据储能机理不同电容器可分为双电层电容和法拉第准电容。其中双电层电容主要是以碳材料作为电极材料，而法拉第准电容则主要以金属氧化物材料和导电聚合物材料作为电极材料。

1）由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容。碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm 及以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存，而制备的碳材料往往存在微孔(孔径小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(孔径大于2nm)的方向发展。目前最常见的电极材料为多孔碳材料，这些碳材料包括活性炭、碳纳米管、模板碳和石墨烯等。其中，活性炭因具有原料广泛、价格低廉、比表面积大、孔隙丰富等特点，是目前唯一得到商业化应用的电极材料。

2）采用金属氧化物或导电聚合物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容（又称赝电容）。以RuO2 为例，对于表面，赝电容反应通过质子在RuO2 表面快速吸附/脱附发生；对于体面，赝电容反应通过质子在RuO2 体面中的快速嵌入/脱出发生。由于赝电容反应不局限在电极活性材料表面，因此其电容量远大于活性炭材料的双电层电容（10-100 倍），但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。目前导电聚合物、金属氧化物等作为电极材料还处于探索之中，停留在实验室阶段。

电极材料可从三条技术路径进行优化：1）基于碳电极的优化主要沿着改善碳结构，增大比表面积的方向进行，石墨烯和碳纳米管都有可能成为技术的突破点；2）通过与赝电容材料复合开发碳基复合材料；3）将锂离子电池正极材料与活性炭材料的混合物作为正极，形成锂离子超级电容器。

应用石墨烯改善电极碳结构。石墨烯被认为是高电压、高容量、高功率超级电容器电极材料的选择之一。2011 年，Ruoff 教授利用KOH 化学活化对石墨烯结构进行修饰重构，形成具有连续三维孔结构的活性石墨烯。它富含大量的微孔和中孔，比表面积达到3100㎡/g，远高于石墨烯理论比表面积（2630 ㎡/g）。在有机电解液中其比容量达200F/g（工作电压3.5V，电流密度0.7A/g），基于整体器件的能量超过20Wh/kg，是目前活性炭基超级电容器能量密度的4 倍。2015 年中国中车株机公司自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世，3 伏/12000 法拉超级电容适合用于有轨电车主驱动，单次充电行驶里程可达6 公里，2.8 伏/30000 法拉超级电容适合用于无轨电车主驱动，单次充电行驶里程可从目前的4～6 公里提高到8～10 公里。目前石墨烯电容器能量密度与锂离子电池还有一定的差距，但长远来看前者更有发展空间。

石墨烯超级电容新结构

资料来源：公开资料，立鼎产业研究中心

通过与赝电容材料复合开发碳基复合材料也是获得高比容量电极材料的有效途径。在复合材料中，碳材料不仅作为活性材料提供双电层电容，还为赝电容材料提供机械支撑和导电网络，以达到长寿命和高倍率的目的。因此复合材料的开发，可以实现在不牺牲超级电容器高功率特性的前提下，最大限度提高其能量密度，以适应市场对高性能、低成本、性能稳定移动电源技术的需求。

不同种类碳材料及碳基复合材料的超级电容性能对比

资料来源：公开资料，立鼎产业研究中心

锂离子超级电容器结合锂电池与超级电容优势。将锂离子电池正极材料与活性炭材料的混合物作为正极，石墨材料作为负极，锂盐作为电解质，形成的是一种新型的准电化学电容器，即一个电极为双电层电极，而另一个电极是发生氧化还原的电极，构成了不对称的超级电容器。它的功率特性完全取决于Li+在正极材料中的电化学行为，大大提高了电容器的比能量。另外充电时Li+从正极材料中脱出，回到本体电解液中，弥补了双电层导致的本体电解液的贫乏，从而降低了超级电容器的内阻。这种实现方式不仅仅是简单叠加，而且是结构和性能的交叉与提升，同时成本也较低，可以作为一种超级电容电池项目来开发。江海股份公司在收购日本ACT 公司之后，建立碳锂电池领域的技术储备，其锂离子超级电容器的技术性能达已到国际先进水平。

负极：超级电容器负极材料主要是炭材料，商业化使用的负极炭材料主要是石墨。国内各厂家技术的差异不大，主要是材料性能的差异。

电解质：电解质在正负极之间起着输送和传导电流的作用，影响着器件的充放电特性、能量密度、安全性、循环性能、倍率充放电性能、高低温性能、储存性能和成本。根据其工作特点，要求电解液电导率高、杂质低、分解电压高、腐蚀性低、化学和电化学稳定性好、热稳定性能好、功能性强、低污染及低成本等特性。目前，超级电容器的电解液主要有水系（即无机电解质）和非水系（即有机电解质）两种。电解质为水系的超级电容器单体电压不超过1.6V，而非水系的超级电容器单体电压不超过3V。水系电解质主要有30%硫酸水溶液、30%氢氧化钾水溶液，而使用较多的有机电解液是丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨、六氟磷酸锂与有机溶剂的混合液等。

有机电解液vs 水系电解液

资料来源：公开资料，立鼎产业研究中心