2014-2017年石墨烯下游应用领域分析——超级电容器

——2014-2017年超级电容器行业发展概况

一、超级电容器的优势

1、与静电电容器、电池的性能比较

超级电容融合了普通电容的物理特性，很多优势是传统电容、电池无法比拟的：

（1）具有法拉级的超大电容量，这比普通电容要大得多。

（2）可以瞬间释放的功率比普通电池高近十倍，而且不会损坏。

（3）充放电循环寿命在十万次以上，这是最大的优点之一，传统电池一般只能充放数百次。

（4）能在40度至60度的环境温度中正常使用，传统电池低温下效能将会大大降低。

（5）有超强的荷电保持能力，漏电量非常小，传统电池要经常充电才能保持状态。

（6）充电迅速，它的速度比普通电池快几十倍，几分钟就可充满一辆汽车所需要的电量。

（7）本身不会对环境造成污染，真正免维护，而传统电池仍是有污染。

超级电容具有普通电容电池无可比拟的优势，但超级电容器也有其缺点：

一是它的体积比较大，与体积相当的电池相比，它的储电量要小。

二是即使达到法拉级的电量，但与传统电池相比，仍然少得可怜，按目前的技术，它仍然不能作为电动力的主要储电器，因为它的电量只能驱动车辆行驶几公里。

2、与主流蓄电池的性能比较

蓄电池充电慢，超级电容充电快；蓄电池放电功率小，超级电容大；蓄电池使用年限短，超级电容循环充放电达50万次，使用年限长；蓄电池充电效率低，不能吸收弱小电流，超级电容可以，充电效率低；蓄电池充放电是化学过程，造成环境污染，超级电容充放电物理过程，环保；蓄电池低温情况下，充放电难以实现，超级电容使用温度范围广，-40度到70度；蓄电池蓄电能力好，超级电容蓄电能力弱。总之，超级电容作为一种新型储能元件，可以在很大程度上弥补蓄电池的不足之处。

二、超级电容器发展特点

近年来，由于看好这一领域广阔的应用前景，中国一些公司也开始积极涉足这一产业，并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。

国内从事大容量超级电容器研发的厂家，能够批量生产并达到实用化水平的厂家较少。上海奥威科技开发有限公司开发的“车用超级电容器”，在技术水平上较为先进。通过与国外厂商产品对比，奥威产品与国外同类产品的电性能和物理性能较为接近，某些性能已经超过了国外同类产品。总体上看，该公司的产品已达到了同类产品的国际先进水平。

目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。

除此之外，国内也有其他数家超级电容器供应商，如哈尔滨巨容新能源公司等等，这些公司均是近两年成立，并在各自擅长的领域进行产品研发或产品市场推广工作。同时，国内的江西、江苏、河南、陕西和天津等省市也纷纷出台相关政策，支持本省市企业积极进军超级电容器这种新兴的储能元件市场，如中国电子元器件百强之一的江西信达电子公司也正在寻求合作伙伴，以期共同进行超级电容器的生产。

由于新兴公司不断涌现，超级电容器在国内的大规模应用也渐行渐近。国内供应商正积极地从不同角度来应对规模应用所面临的问题。

三、超级电容器需求分析

2011年我国超级电容器市场规模为13.9亿元，至2016年行业市场规模增至45.3亿元。

2011-2016年中国超级电容器市场需求规模

数据来源：立鼎产业研究中心整理

四、超级电容器项目动态

2017年2月12日，南通江海电容器股份有限公司超级电容器项目开工建设。目前，一期工程配套厂房已完成基础部分施工，下月将同步启动主厂房的建设。该项目总投资30亿元，主要建设超级电容器、镀膜、拉膜生产线等。一期投资12亿元，年产双层超级电容600万瓦时，锂离子超级电容器2800万瓦时。该项目属于国家战略性新兴产业，产品应用于电动汽车、轨道交通、新能源和智能电网、节能环保、国防军工等领域，具有国际先进水平。

五、超级电容器研究动态

——在“十二五”863计划先进能源技术领域“高性能化学储能电池及示范电站关键技术研究”主题项目支持下，“高比能、低成本的新型超级电容器关键技术研究”、“长寿命锰酸锂系储能电池关键技术及示范”等课题均取得了重大进展，通过了技术验收。

在“新型超级电容器”方面，突破了高能量密度高功率密度长寿命超级电容器的制备技术瓶颈，研制了多孔石墨烯、高耐压电解质盐和电解液、纤维素隔膜等材料，开发了干法制备电极片中试技术，突破了（3.0V/12000F）超级电容器产业化的核心技术，产品已在机械能回收、超级电容器轨道车辆方面在国内外获得应用。目前国内在超级电容器方面从材料、器件到系统集成已形成核心技术体系，改变了超级电容器在十一五期间由国外产品垄断的局面。

——中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队与中国科学院金属研究所研究员任文才团队合作，通过掩膜版协助一步过滤法制备出具有叠层结构的二维黑磷烯与石墨烯复合微电极。该电极可直接转移到柔性基底作为平面超级电容器，在离子液体中显示出优异的能量密度和良好的机械柔韧性。

——石墨烯在超级电容器行业的应用综述

一、石墨烯基双电层电容器

双电层电容器的电极主要为多孔碳材料，如活性炭、碳纳米管、介孔碳和碳化物衍生碳等。对于这些碳材料，决定双电层电容性能的因素主要有材料比表面积、电导率和孔隙率，但很少有碳电极材料可以在这三个方面均有优异的表现，因此，人们仍在不断研究碳基双电层电容器材料。

石墨烯具有优异的导电性、柔韧性、力学性能和很大的比表面积，自身可作为电极材料用于双电层超级电容器。但无论是石墨烯、氧化石墨烯（GO）还是氧化还原石墨烯（rGO)，它们在制备过程中均容易发生堆叠，影响石墨烯材料在电解质中的分散性和表面可浸润性，降低了石墨烯材料的有效比表面积和电导率。因此，避免石墨烯堆叠是制备高能量密度和高功率密度石墨烯基超级电容器的技术难题之一。

二、石墨烯基法拉第准电容器

与双电层电容器相比，赝电容器的容量更大，但由于材料的导电性能较差，材料发生氧化还原反应时结构容易被破坏，因此能量密度和循环性能相对较差。

石墨烯虽然可以单独作为超级电容器电极材料，但其理论比容量仅有329 F/g，限制了该材料的大规模应用。如何既利用石墨烯优异的性能又突破石墨烯的理论比容量是石墨烯基电极材料的应用难题。通过对石墨烯进行官能团修饰改性以及制备石墨烯基复合电极材料，构建法拉第准电容器已经成为该领域研究热点之一。

三、石墨烯基混合型超级电容器

为进一步提高超级电容器的能量密度，近年来开发出了混合超级电容器，又称“不对称超级电容器”。在混合型超级电容器中，能量储存的过程仍主要发生在电极表面，电极材料的比电容、导电性、比表面积和结构稳定性是混合型超级电容器能量储存和转化性能的决定因素。因此，为了提高能量密度和功率密度，无论是双电层超级电容器、法拉第准电容器，还是混合超级电容器，其电极材料必须具有比表面积大、电导率高和结构稳定的特性。

由于采用具有氧化还原活性的电极材料，混合型超级电容器比能量高，同时结合双电层储能机理会产生更高的工作电压，因此其能量密度远大于双电层电容器，是现今的研究热点之一。

从目前看到技术进展看，石墨烯有望提升超级电容能量密度达到10倍以上，未来可以大大改变目前超级电容性能上的不足。目前世界石墨烯超级电容器能量密度最先进水平大约可以达到90Wh/kg（实验室水平），已经接近普通的锂电池。一旦超级电容器突破了能源密度瓶颈，同时具备了高功率密度与高能量密度，必将在电池能源领域占据主导地位。

——石墨烯超级电容器的研究动态

一、美国研究状况

——石墨烯凝胶3D打印出超级电容。美国国家实验室LLNL和加州大学分校科学家们宣布，首次使用超轻的石墨烯凝胶3D打印出可以保留能量的超级电容，比当前使用电极制造的同类电容薄10至100倍。为产品设计师更加自由、不受设计限制地将高效能源存储系统用于智能手机、可穿戴设备、可植入设备、电动汽车和无线传感器打开了大门。

二、中国研究状况

——中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队与中国科学院金属研究所研究员任文才团队合作，通过掩膜版协助一步过滤法制备出具有叠层结构的二维黑磷烯与石墨烯复合微电极。该电极可直接转移到柔性基底作为平面超级电容器，在离子液体中显示出优异的能量密度和良好的机械柔韧性。

可穿戴和便携式电子产品的快速发展，极大地促进了现代社会对高能量密度、轻量便携化、柔性化的储能器件的需求。平面超级电容器由于其具有厚度薄、体积小、功率密度高、循环寿命长等优点被认为是集成电子器件中重要的微电源储能器件而备受关注。然而，以往制备平面化微型电容器的制备工艺复杂，通常需要采用光刻蚀、等离子体刻蚀等较为苛刻的技术手段，因此，发展出一种简单、高效制备高性能平面型微型化超级电容器的方法十分必要。

最近，该研究团队利用高导电的石墨烯纳米片和高容量的黑磷烯纳米片为电极材料，在平行交叉模板协助下，通过简单的一步过滤法构筑出具有叠层结构的、高导电石墨烯/黑磷烯图案化的复合微电极，将该电极应用于平面型超级电容器，在离子液体中表现出较高工作电压（3V）和能量密度（11.6mWh/cm3）。此外，在高度弯曲状态下，该平面超级电容器仍能保持良好的性能。这种器件加工策略不仅简单易行，而且在器件制备过程中无需加入常规的金属集流体、内部互联或接触体，可构筑模块化器件，进而获得高的容量和输出电压。

——石墨烯青岛储能产业技术研究院采用石墨烯基复合电极材料路线，开发出容量可控的锂离子电容器器件，并尝试应用于电动自行车上，铅酸电池需要10小时可充满电，该锂离子电容器约为1-3小时。锂电池主要应用于手机、笔记本电脑、摄像机等便携式电子器件等方面，未来将应用于电动力汽车等新能源汽车领域。随着全球锂电池需求量的增长，石墨烯锂电池应用的需求量也将快速增长。

——中国石墨烯产业技术创新战略联盟产业研究中心认为，石墨烯在超级电容器方面的开发应用项目预计在3-5年内可实现商业化。中国石墨烯产业技术创新战略联盟产业研究中心预测到2020年全球石墨烯超级电容器的市场规模将达到41.8亿美元。

——超级电容器行业发展前景分析

一、超级电容器行业前景展望

超级电容代表未来能源技术的发展方向之一超级电容储能技术具有无污染、效率高的明显优势，符合当下发展绿色能源的主流趋势。但由于超级电容能源方案成本偏高，初始投入要大于传统电池能源方案，以及技术升级和市场开拓等问题，因此我们预计超级电容器市场发展尚在培育期，但仍代表未来能源技术的发展方向之一。

二、超级电容器市场规模预测

预计至2018年我国超级电容器行业市场规模将增至71亿元，至2020年行业市场规模将达到110亿元左右。

三、超级电容器应用空间分析