2012-2015年間，國(guó)內(nèi)超級(jí)電容器的市場(chǎng)規(guī)模由19.4億元增長(zhǎng)到超過(guò)70億元，發(fā)展迅速。在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，隨著國(guó)家政策支持力度的加大以及技術(shù)的不斷升級(jí)，超級(jí)電容器市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)在即。石墨烯作為未來(lái)最有潛力的超級(jí)電容電極材料之一，能否搭上這趟快車(chē)呢？讓我們一起看看。
國(guó)務(wù)院發(fā)文支持軌道交通建設(shè)，超級(jí)電容迎來(lái)新一輪發(fā)展契機(jī)
近年來(lái)，國(guó)務(wù)院將城市軌道交通（簡(jiǎn)稱(chēng)“軌交”）項(xiàng)目的核準(zhǔn)權(quán)限下放至省級(jí)投資主管部門(mén)的決定，使得眾多二三線(xiàn)城市迎來(lái)軌交建設(shè)熱潮。截至2013年底，中國(guó)已有45個(gè)城市項(xiàng)目申報(bào)建設(shè)城市軌道交通項(xiàng)目。其中39座城市已經(jīng)獲批，6座城市待批；共有20個(gè)城市（含香港）開(kāi)通運(yùn)行城市軌道交通。
據(jù)行業(yè)內(nèi)估算，到2020年，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程將達(dá)到6000-7000km。受此影響，近年來(lái)軌交裝備產(chǎn)品需求量上漲，其中超級(jí)電容作為新型軌交儲(chǔ)能裝備，迎來(lái)一輪新的發(fā)展契機(jī)。
作為軌道交通儲(chǔ)能系統(tǒng)，超級(jí)電容可以起到制動(dòng)能量回收和穩(wěn)定電壓的作用。專(zhuān)家指出，在城市軌道車(chē)輛的能耗中，牽引能耗占了90%，車(chē)輛輔助設(shè)備能耗占10%。如采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如合理安排?chē)輛運(yùn)行，使用超級(jí)電容等能量管理設(shè)備，電能消耗量的40%就可以在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)反饋回供電系統(tǒng)，以供給正在加速的車(chē)輛使用。由于列車(chē)啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)會(huì)引起電壓的波動(dòng)，若采用合適的能量管理設(shè)備，就可以減小電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，從而提高供電質(zhì)量。
圖1城市軌道車(chē)輛的制動(dòng)能耗比例
通常，城市軌道車(chē)輛運(yùn)行里程長(zhǎng)，安全要求高，對(duì)儲(chǔ)能元件的可靠性能要求更高。據(jù)專(zhuān)家介紹，城市軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)使用壽命為30年，約是普通公交車(chē)輛使用壽命的3倍。超級(jí)電容比電池有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，更高的可靠性，正逐漸受到青睞。
我國(guó)新型超級(jí)電容器關(guān)鍵技術(shù)研究已取得重大進(jìn)展
來(lái)自科技部官方微博“銳科技”8月15日消息，在“新型超級(jí)電容器”方面，突破了高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命超級(jí)電容器的制備技術(shù)瓶頸，研制了多孔石墨烯、高耐壓電解質(zhì)鹽和電解液、纖維素隔膜等材料，開(kāi)發(fā)了干法制備電極片中試技術(shù)，突破了(3.0V/12000F)超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)，產(chǎn)品已在機(jī)械能回收、超級(jí)電容器軌道車(chē)輛方面在國(guó)內(nèi)外獲得應(yīng)用。
消息稱(chēng)，目前國(guó)內(nèi)在超級(jí)電容器方面從材料、器件到系統(tǒng)集成已形成核心技術(shù)體系，改變了超級(jí)電容器在“十一五”期間由國(guó)外產(chǎn)品壟斷的局面。
超級(jí)電容前景廣闊，市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)百億級(jí)別
國(guó)家層面超級(jí)電容政策頻頻出臺(tái)：
在超級(jí)電容發(fā)展上，政府一貫重視。2006年、2007年就在技術(shù)層面強(qiáng)調(diào)了重視超級(jí)電容器的發(fā)展，之后政府又出臺(tái)了對(duì)超級(jí)電容器應(yīng)用補(bǔ)貼的政策。2016年作為“十三五”的開(kāi)局之年，關(guān)于超級(jí)電容的利好消息不斷。
4月份工信部印發(fā)了《工業(yè)強(qiáng)基2016專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施斱案》，首次將超級(jí)電容器列入扶持重點(diǎn)。
隨后，《超級(jí)電容器用有機(jī)電解液規(guī)范》通過(guò)了國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)審定會(huì)，此標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)超級(jí)電容器材料方面的首個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有助于超級(jí)電容器電解液的規(guī)范化，推動(dòng)中國(guó)超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
緊接著，工信部2016年第17號(hào)公告，發(fā)布了包括機(jī)械行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、電子行業(yè)等在內(nèi)的587項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，包括《超級(jí)電容器分類(lèi)及型號(hào)命名方法》電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)發(fā)布信息，該標(biāo)準(zhǔn)自9月1日起正式實(shí)施，是我國(guó)第一項(xiàng)超級(jí)電容器領(lǐng)域的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。
在國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局下發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》以及《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線(xiàn)圖》中，也提出發(fā)展大容量超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)。
在《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線(xiàn)圖》中，提出的具體目標(biāo)為，“開(kāi)發(fā)新型電極材料、電解質(zhì)材料及超級(jí)電容器新體系。開(kāi)展高性能石墨烯及其復(fù)合材料的宏量制備，探索材料結(jié)構(gòu)與性能的作用關(guān)系;開(kāi)發(fā)基于鈉離子的新型超級(jí)電容器體系。研究高能量混合型超級(jí)電容器正負(fù)電極制備工藝、正負(fù)極容量匹配技術(shù);研發(fā)能源密度30Wh/kg、功率密度5000W/kg的長(zhǎng)循環(huán)壽命超級(jí)電容器單體技術(shù)。研究超級(jí)電容器模塊化技術(shù)，突破大容量超級(jí)電容器串并聯(lián)成組技術(shù)。研究10MW級(jí)超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，突破大容量超級(jí)電容器應(yīng)用于制動(dòng)能量回收、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量改善等的設(shè)計(jì)與集成技術(shù)?！?/p>
市場(chǎng)前景廣闊
據(jù)了解，國(guó)外研究超級(jí)電容器起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，處于領(lǐng)先地位。美國(guó)的USMSC計(jì)劃、日本的NewSunshine計(jì)劃和歐洲的PNGU計(jì)劃均將超級(jí)電容器列入開(kāi)發(fā)內(nèi)容。
全球來(lái)看，2015年全球超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到173億美元。據(jù)Navigant預(yù)計(jì)，2014年到2023年超級(jí)電容器市場(chǎng)將增長(zhǎng)約20倍，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到39%，可見(jiàn)超級(jí)電容器市場(chǎng)的潛力巨大。
就國(guó)內(nèi)來(lái)看，國(guó)內(nèi)超級(jí)電容器的市場(chǎng)規(guī)模逐年提升，2012-2015年間，國(guó)內(nèi)超級(jí)電容器的市場(chǎng)規(guī)模由19.4億元增長(zhǎng)到超過(guò)70億元，發(fā)展迅速。在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，隨著國(guó)家政策支持力度的加大以及技術(shù)的不斷升級(jí)，超級(jí)電容器市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)在即。
石墨烯基超級(jí)電容器材料存在的問(wèn)題
限制石墨烯基超級(jí)電容電極材料發(fā)展的主要問(wèn)題是由于范德華力的存在，石墨烯片層易團(tuán)聚，其實(shí)際的表面積小于800m2/g，其比電容限制在300F/g左右；因此，石墨烯與其他材料復(fù)合、改性以提高其性能成為研究的熱點(diǎn)之。
目前，提高石墨烯材料的電容性能主要有兩條途徑：
?。ǎ保┰诙S石墨烯中引入其他維度的碳材料構(gòu)建三維碳基材料，有效阻止石墨烯片的積聚，保持其高比表面積和高導(dǎo)電性能，提高離子傳輸和電子傳遞速率；
?。ǎ玻┮爰{米級(jí)的贗電容成分，構(gòu)建高導(dǎo)電性的分級(jí)多孔電極材料，增加單位基體面積上材料負(fù)載率，提供電子傳輸和離子傳遞的高速通道，保證贗電容反應(yīng)有充足的電解質(zhì)離子和電子，提高重復(fù)充放電過(guò)程中電化學(xué)穩(wěn)定性，獲得在給定面積和空間上高能量密度與功率密度。
目前存在的問(wèn)題：
（１）石墨烯的制備，如何以成本低廉、環(huán)境友好的方式制備大面積、高質(zhì)量和層數(shù)厚度可控的石墨烯，提高負(fù)載密度以獲得高的體積比性能，是其進(jìn)一步應(yīng)用的技術(shù)障礙。而在制備原理上，需加強(qiáng)對(duì)石墨烯及各組分的形成機(jī)理、形核、生長(zhǎng)等過(guò)程的研究，從分子和原子水平研究各過(guò)程石墨烯及各組分的變化、生長(zhǎng)等規(guī)律；對(duì)石墨烯表面功能化加強(qiáng)理論研究，從理論上加強(qiáng)對(duì)石墨烯功能化的指導(dǎo)；加強(qiáng)對(duì)石墨烯復(fù)合材料制備過(guò)程中熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的研究，從微觀加深對(duì)各制備過(guò)程的理論認(rèn)識(shí)。
?。ǎ玻┭芯渴?fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能與各制備過(guò)程之間的關(guān)系，為改進(jìn)石墨烯復(fù)合材料制備方法及優(yōu)化石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)。
?。ǎ常┤绾螌?shí)現(xiàn)石墨烯基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制。充分研究石墨烯基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和控制，合成具有高比表面積、高導(dǎo)電性、高負(fù)載率、高空間利用率的復(fù)合材料，從而獲得高能量密度和功率密度，優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性等的超級(jí)電容器。
?。ǎ矗┏?jí)電容器在實(shí)際操作過(guò)程中的安全性。超級(jí)電容器在實(shí)際應(yīng)用中的安全問(wèn)題和綠色化學(xué)都應(yīng)該被考慮到。
目前，石墨烯基復(fù)合材料的研究依然處于初始階段，在設(shè)計(jì)和合成新穎的石墨烯基復(fù)合電極材料從而獲得高能量密度、功率密度以及長(zhǎng)循環(huán)壽命的高性能超級(jí)電容器方面仍然有較大的空間。相信石墨烯基復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，將會(huì)推動(dòng)下一代電化學(xué)儲(chǔ)能器件的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
