一、超級電容器行業分析
超級電容器根據製造工藝和外形結構可劃分為鈕釦型、卷繞型和大型三種類型，三者在容量上大致歸類為5F以下、5F~200F、200F以上，它們由於其特點的不同，運用領大型產品則多在需要大電流短時放電，有記憶存儲功能的電子產品中做後備電源域也有所差異。
鈕釦型產品具備小電流、長時間放電的特點，可用在小功率電子產品及電動玩具產品中。而卷繞型和，適用於帶CPU的智能家電、工控和通信領域中的存儲備份部件。另外大型超級電容器通過串並聯構成電源系統可用在汽車等高能供應裝置上。
產業規模表
表1、表2是對三種超級電容器產業規模進行調查而得到的數據整理而成的，分別反映了世界和中國超級電容器產業的情況。從這兩個表中我們不難發現三個問題：
1、超級電容器產業的發展非常迅速，無論是鈕釦型還是卷繞型或是大型超級電容器，其產業規模都在高速擴展。
2、中國在鈕釦型超級電容方面的競爭力不明顯，在中國鈕釦型市場中，海外產品幾乎佔據了90%以上的份額，競爭非常激烈。數據表明，近幾年國內廠家的市場份額也在逐步擴大。
3、卷繞型和大型方面，中國的技術水平與國際接近，市場份額也比較理想。近幾年，中國廠商的銷售收人也在呈幾何倍數增長。據調查，國產超級電容器已佔有中國市場60%~70%的份額。
車用超級電容器模組
二、超級電容器技術研究現狀
超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分佈層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低於電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(通常為3V以下)，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態。由於隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路洩放，電解液的界面上的電荷響應減少。由此可以看出:超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。
超級電容器因其獨特的雙層大容量儲存結構對原材料及製作工藝提出了極高的要求。電極、電解質和隔膜的組成和質量對超級電容器的性能起著決定性的影響。下面將從原材料，製作工藝等幾個方面對超級電容器的技術現狀進行分析。
2.1正極材料
目前用作超級電容器電極的材料主要有三類:碳材料、金屬氧化物材料和導電聚合物材料。
2.1.1 碳材料
碳是最早被用來製造超級電容器的電極材料。碳電極電容器主要是利用儲存在電極與電解液界面的雙電層能量，其比表面積是決定電容器容量的重要因素。儘管高比表面的碳材料比表面積越大，容量也越大，但實際利用率並不高，因為多孔碳材料中孔徑一般要2nm及以上的空間才能形成雙電層，從而進行有效的能量儲存，而製備的碳材料往往存在微孔(孔徑小於2nm)不足的情況。所以這個系列主要是向著提高有效比表面積和可控微孔孔徑(孔徑大於2nm)的方向發展。除此之外，碳材料的表面官能團、導電率、表觀密度等對電容器性能也有影響。現在已有許多不同類型的碳材料被證明可用於製作超級電容器的極化電極，如活性炭、活性炭纖維、碳氣溶膠、碳納米管以及某些有機物的裂解碳化產物。
2.1.2 金屬氧化物材料
金屬氧化物作為超級電容器電極材料的研究是基於法拉第準電容儲能原理，即是在氧化物電極表面及體相發生的氧化還原反應而產生的吸附電容。其電容量遠大於活性炭材料的雙電層電容，但雙電層電容器瞬間大電流放電的功率特性比法拉第電容器好。金屬氧化物作為超級電容器電極材料有著潛在的研究前景。近年來金屬氧化物電極材料的研究工作主要圍繞以下兩個方面進行:(l)製備高比表面積的RuO2活性物質。(2) RuO2與其它金屬氧化物複合。
2.1.3 導電聚合物材料
電聚合物電極電容器是通過導電聚合物在充放電過程中的氧化還原反應，在聚合物膜上快速產生n型或p型摻雜從而使其儲存高密度的電荷，產生很大的法拉第電容來實現儲存電量。研究發現聚毗咯、聚噻吩、聚苯胺、聚對苯、聚並苯等可用作超級電容器電極材料，其中聚毗咯及其衍生物由於其有優異的電化學性能、環境友好、合成簡.單等特點，被認為是最具有應用價值的材料之一。導電聚合物超級電容器具有使用壽命長、溫度範圍寬、不汙染環境等特點，並且可以通過設計聚合物的結構，優選聚合物的匹配特性，來提高電容器的整體性能、，但真正商業應用的電極材料品種還不多，價格也較高。今後研究的重點應放在合成新材料上，一尋找具有優良摻雜性能的導電聚合物，提高聚合物電極的充放電性能、循環壽命和熱穩定性等方面。
從實用來講，碳材料無疑是目前超級電容器各類電極材料中最具吸引力的，它幾乎是市面上所有產品共同的選擇，但電極材料的成本佔到其產品總成本的近30%，是導致生產成本較高的主要原因，這在一定程度上限制了超級電容器的推廣應用。而導電聚合物、金屬氧化物等作為電極材料還處於探索之中，停留在實驗室階段。今後超級電容器電極材料的研究重點將集中在己有材料製備工藝及結構優化，兼具法拉第準電容和雙電層電容新材料的開發，高性能材料的規模化生產，以適應市場對高性能、低成本、性能穩定移動電源技術的需求。
2.2 負極材料
超級電容器負極材料主要是炭材料，商業化使用的負極炭材料主要是石墨。國內各廠家技術的差異不大，主要是材料性能的差異。
2.3 電解質
電解質是超級電容器的關鍵材料，在正負極之間起著輸送和傳導電流的作用，影響著器件的充放電特性、能量密度、安全性、循環性能、倍率充放電性能、高低溫性能、儲存性能和成本。根據其工作特點，要求電解液電導率高、雜質低、分解電壓高、腐蝕性低、化學和電化學穩定性好、熱穩定性能好、功能性強、低汙染及低成本等特性。
國內目前採取的是水系(即無機電解質)和非水系(即有機電解質)兩種不同的技術實現途徑，電解質為水系的超級電容器單體電壓不超過1.6V，而非水系的超級電容器單體電壓不超過3V。水系電解質主要有 30%硫酸水溶液、30%氫氧化鉀水溶液；而有機在國際上己成為主流，使用較多的有機電解液是丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨、六氟磷酸鋰與有機溶劑的混合液等。
表3列出了有機系超級電容器和水系超級電容器的一些特性上的主要區別。圖1和圖2分別介紹了超級電容器的分類以及不同超級電容的一些參數比較。
表3 有機系超級電容器和水系超級電容器主要區別
超級電容器分類
2.4 生產工藝
生產超級電容器的工藝流程主要分為以下九步：
配料 混漿 制電極 裁片 組裝 注液 活化 檢測 包裝。
超級電容工藝流程及主要設備
三、國際、國內超級電容器主要廠家
圖3 國際、國內超級電容器主要廠家
在全球民用超級電容器市場中，處於領先地位的企業有：美國 Maxwell公司、日本 Panasonic電器產業株式會社、韓國 Ness Cap公司、法國 Bollore 公司。
國內從事超級電容器研發的廠家共有50多家，然而能夠批量生產並達到實用化的廠家只有10多家，目前，在國內超級電容器行業處於領先地位的有：上海奧威科技開發有限公司、北京合眾匯能科技有限公司、北京集星聯合電子科技有限公司、哈爾濱巨容新能源有限公司、錦州凱美能源有限公司和江蘇雙登集團有限公司。
3.1 上海奧威：新能源汽車領域的領導者
國內公交車用超級電容器領域的佼佼者，產品主要用於各種車輛、內燃機的啟動以及輕型車、電動公交車的牽引和其他領域，其技術處於世界領先地位。所生產的超級電容器公交車己經用於世博會。
但經過市場調研，該公司主要生產無機超級電容器，容量較大（上百法拉），不適用於本方案設計。
3.2 北京合眾匯能科技有限公司：核心炭材料技術處於領先地位
國內超級電容器電極材料領先企業，公司主要開發和生產高容量(HCC)系列有機高電壓型雙電層超級電容器。其生產的HCC超級電容主要以卷繞圓柱式為主，兼顧方形、異型模組等多種電容器產品規格，標準產品的容量從0.06F到10000F。公司可以提供高達10萬法拉大容量的特製超級電容器單體產品。
目前公司HCC超級電容器產品廣泛應用於電動、混合動力汽車、大功率短時功能電源、太陽能儲能、風力發電機變槳系統、儲能緩衝系統、智能電錶、電動自行車、電動玩具等領域。早期與清華大學合作開展超級電容器碳納米電極材料研究，公司在電極材料方面具有領先優勢。
3.3 北京集星聯合電子科技有限公司：產業鏈較為完整
公司是一家專注於新能源領域的革命性儲能產品的研發和商業化應用的創新型企業，面向汽車、工業、民用領域提供高效、可靠的儲能元件和系統產品，以提高電源的效率和可靠性。公司參與並支持電動汽車、風能和太陽能等可再生能源、工業節能降耗等產業的發展。
公司突破了核心活性炭材料技術和電極技術，整合了超級電容器生產的上下游產業鏈，在北京、常州分別建立了電極材料、電極、元件、儲能系統的生產基地。
公司註冊於北京中關村，研發基地設在北京中關村高科技產業園區，生產基地設在北京大興工業區，公司致力於納米技術等新型能源材料在綠色儲能元器件上的研究與應用開發，並使其產業化，擁有完全的自主知識產權。
3.4 哈爾濱巨容新能源：超級電容器管理系統有望獲得突破
超級電容器技術基礎實力雄厚，產品廣泛應用於港口起重設備電動車的牽引電源、汽車、坦克車、裝甲車等的啟動電源，激光武器、電動工具、安全氣囊，電磁開關電源；功率補償系統，UPS電源，電力峰谷平衡，風力發電機的能量儲存裝置。
但經過市場調研，該公司主要生產無機超級電容器，容量較大（上千法拉），不適用於本方案設計。
3.5 錦州凱美能源有限公司：運營管理仍有待提升
公司自2001年起承擔國家科技部“十五”863計劃電動汽車重大專項“電動汽車用超級電容器”項目，2002年起承擔科技部科技型中小企業技術創新基金“超級電容器”項目研發，2003年承擔信息產業部電了信息產業發展基金“新型綠色能源-超級電容器產品產業化”項目。
公司現有專業技術人員28人，其中高級工程師3人，博士生4人，碩士研究生8人，在產品開發、產品測試以及工藝改良方面有著豐富的理論和實際經驗。
公司與中科院、北京有色金屬研究院、華東理工大學、北京科技大學、中南大學、遼寧工學院、渤海大學等建立了合作關係。
公司目前己有18個系列、100多個規格的超級電容器產品，並擁有14項專利。價格從2元一70元/單元不等。
3.6江蘇雙登集團有限公司：還處於初級階段
江蘇雙登集團有限公司與中科院電工所合作研製開發的超級電容器，與國內外同等性能相比，具有較強的成本優勢，產品經中國工程院楊裕生院士鑑定，其主要技術指標達到國內領先水平，部分關鍵指標達到國際先進水平。
目前，公司研製的太陽能發電超級電容器己經應用於北京奧運村太陽能路燈項日，鳥巢、水立方、奧運數字大廈、五棵松體育館、豐臺泉球館、奧運村地下車庫、首都機場T3D航站樓、北京新南站、首都體育館等場地，均有公司的超級電容器產品應用。
公司的研發主要基於南京雙矜科技發展研究院，研究院設有博士後科研工作站和工程技術中心，主要開發燃料電池、超級電容器、鋰電池材料、鋰離子電池等在內的各類先進化學電源產品。
四、超級電容行業發展方向
儘管超級電容器技術已經進人了產業化的快車道，但其中仍然存在著許多技術難題，這些都限制了超級電容器性能的進一步提高，製作成本的進一步降低，應用範圍的進一步延伸，及消費市場的進一步拓展。這些問題主要有如下幾個方面：
4.1 尋找性能更優，成本更低的電極材料。
電極材料是影響超級電容器性能和生產成本的關鍵因素，因此對於超級電容器的研究。幾乎都是圍繞著電極材料進行的。而國內電極材料存在性能不佳和可選擇範圍小等問題，所以我國在超級電容器的核心部分即高性能電極材料的生產上一直存在瓶頸。所以企業若想實現長足發展就必須加強對電極材料的創新研究，必要時可以與研究院和高校合作研發。
4.2 尋求更優化的匹配組合方法
超級電容器單體產生的電壓一般比較低，每隻電容耐壓大約僅有2.5V左右，電池要靠多隻串聯組合提供高電壓，這就需要非常複雜的電路來保證每隻單體電容的均壓問題，一旦電壓過了，就會損壞，而且一旦組合匹配不好就會影響到電池組的性能和壽命。沒有好的匹配方法將直接造成超級電容電池組的成本過高，儲能相當於500 Ah電池組的價格估計要數百萬元。所以企業若想生產出更多種類型號的超級電容器，想要自己的產品有更為廣闊的應用領域，就必需尋求匹配組合技術的突破。
4.3 解決慢放電控制的問題。
超級電容器的自放電率很高，自放電現象較其他儲能器件都要嚴重，這也就限制了超級電容器不能像傳統電池一樣長時間穩定儲能。另外超級電容自放電大小還與充電條件有關，若是恆壓充電，充電時間較長，效果很好；若是恆流充電，充電時間較短，自放電就較嚴重，因為迅速充完電以後，電荷只停留在超級電容的擴散層，所以超級電容器若要像普通電池一樣廣泛應用於多個領域就必須解決慢放電控制問題，而開發出能夠穩定儲能的超級電容電池也就顯得尤為重要。 4.4 解決內阻較高的問題
雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大，超級電容器的較大的內阻會阻礙其快速放電，其時間常數
在ls~2s，給阻容式電路完全放電大約需要5
，所以要得到放電更快的超級電容器就必須進一步降低其內阻。目前主要可以從兩方面降低內阻：一方面，從原材料上入手減少極片和電解液本身內阻;另一方面，通過改變封裝結構減少接觸內阻，達到降低產品內阻的目的。
4.5 進一步減小體積
儘管超級電容器較普通電容器的容量大了3-4個數量級，但和電池相比單位體積的容量還是太小，電池與其體積相當的超級電容器相比可以存儲更多的能量。所以超級電容器若想與傳統電池爭奪市場，就必須在這方面下足功夫。
除此之外，如果超級電容器要運用在電動機車和電力等系統中，其可靠性還需進一步提高。
五、超級電容器選型
根據本文第三章所述，主要從國際國內一些技術相對領先的企業中來進行選型，在這些廠家中選型時，可主要從價格、漏電流大小、耐溫情況、額定充放電電流、等效串聯內阻、容量偏差幾個角度來進行考慮。
5.1. 漏電流
行業內公認的漏電流都是在72小時充電後測量出的漏電流大小，有些廠家也做了24小時充電後的漏電流大小，在選型時可比較不同廠家的漏電流大小。
5.2耐溫
目前不同廠家的耐溫情況基本相同，最大範圍一般都是-40℃~70℃，當然有些小廠家也有-20℃~60℃這種情況。
5.3 等效串聯內阻（ESR）
等效串聯內阻分為交流ESR與直流ESR，通常直流ESR約是交流ESR的1.5倍，隨溫度上升而減小。超級電容器等效串聯電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由於多孔化活性炭電阻率明顯大於金屬，從而使超級電容器的ESR較其它電容器的大。超級電容器的ESR主要由電極物質內阻、電解液內阻、接觸電阻等組成，代表電容器內部發熱所消耗的功率，對電容器的充放電過程影響比較大，降低ESR可以提高超級電容器電源的效率和可靠性。內阻越小，充電、放電電流可以達到越大，它的放電效率越高、放電電流也越高，同時充放電過程產生的熱量也越小有利於散熱，反之，內阻越大，可以達到的充電、放電電流越小。相應地，充電時間會延長。因此，在相同的額定電壓下，超級電容器的電容量與ESR乘積是超級電容器的最主要數據之一。如NESS的3500F、2.7V超級電容器的ESR為0．25mΩ，其額定放電電流為781A，如果採用6支600F／2．7V超級電容器並聯，電容量與前者基本相等，但是放電電流則為150x6=900A，比單隻高近120A，峰值電流由2305A提高到3420A，提高近1115A。這對於短時高倍率電流放電極有意義。
圖3 國內不同廠家的ESR
5.4 等效並聯電阻（EPR）
圖4所示EPR為等效並聯電阻，代表超級電容的漏電流，影響電容的長期儲能性能，EPR通常很大，可以達到幾十KΩ，所以漏電流很小，只有幾十至幾百uA。
圖4 超級電容器的等效模型
5.5 容量偏差
從各廠家的超級電容的規格書中看出，有些廠家的規格書寫明容量偏差為-10%-+10%，而有些廠家則寫為-10%-+30%，如果有30%這種參數，則有可能說明該廠家的碳粉純度比較高，單位體積下的容量會更大，性能更好。
5.6 容量計算
在已知外界所需能量的前提下，可利用公式
容量計算公式
（其中U1、U2分別為超級電容放電後和放電前的電壓）計算出所需容值。
