電子行業(yè):超級電容具備超級前景
超級電容可以廣泛應(yīng)用于輔助峰值功率、備用電源、存儲(chǔ)再生能量、替代電源等不同的應(yīng)用場景，在工業(yè)控制、風(fēng)光發(fā)電、交通工具、智能三表、電動(dòng)工具、軍工等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景，特別是在部分應(yīng)用場景具有非常大的性能優(yōu)勢。根據(jù)美國能源局測算，超級電容的市場容量從2007 年的40 億美元，增長到2013 年的120 億美元，中國市場超級電容2013 年則達(dá)到了19.2 億元人民幣。一旦汽車等應(yīng)用打開，市場將迎來快速的爆發(fā)。
1.雙電層理論：超級電容的工作原理：
1.1雙電層理論
超級電容（法拉電容、黃金電容）是利用電子導(dǎo)體活性炭與離子導(dǎo)體有機(jī)或無機(jī)電解液之間形成感應(yīng)雙電荷層原理制成的電容器。超級電容器電荷距離遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電容器介質(zhì)材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小，活性炭電極表面積成數(shù)量級增大，使得超級電容較傳統(tǒng)電容器而言有超級大的靜電容量，這也是其超級所在。
雙電層電容器是建立在雙電層理論基礎(chǔ)之上的。1879年Helmholz發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的雙電層電容性質(zhì)；1957年，Becker申請了第一個(gè)由高比表面積活性炭作電極材料的電化學(xué)電容器方面的專利（提出可以將小型電化學(xué)電容器用做儲(chǔ)能器件）；1962年標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種6V的以活性碳(AC)作為電極材料,以硫酸水溶液作為電解質(zhì)的超級電容器,1969年該公司首先實(shí)現(xiàn)了碳材料電化學(xué)電容器的商業(yè)化;1979年NEC公司開始生產(chǎn)超級電容器(SuperCapacitor),開始了電化學(xué)電容器的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用;隨著材料與工藝關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破,產(chǎn)品質(zhì)量和性能不斷得到穩(wěn)定和提升,到了九十年代末開始進(jìn)人大容量高功率型超級電容器的全面產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)期。
在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化上,最早是1980年NEC/Tokin與1987年松下三菱的產(chǎn)品.到20世紀(jì)90年代,Econd和ELIT推出了適合于大功率啟動(dòng)動(dòng)力場合的電化學(xué)電容器.如今,Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、NESS等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S。目前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級電容器市場,各個(gè)國家的超級電容量器產(chǎn)品在功率、容量、價(jià)格等方面都自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。
電容器不同于電池,在充放電時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),電能的儲(chǔ)存或釋放是通過靜電場建立的物理過程來完成的,電極和電解液幾乎不會(huì)老化,因此使用壽命長,并且可以實(shí)現(xiàn)快速充電和快速大電流放電。
當(dāng)外加電壓加到兩個(gè)極板上時(shí),與普通電容器一樣,超級電容器正負(fù)極板會(huì)分別產(chǎn)生正負(fù)電荷,在兩極板電荷產(chǎn)生的電場作用下,電解液中的電荷會(huì)重新分布,并在與電極的接觸界面上形成以極短間隙排列在相反位置上的相反電荷,以平衡電解液內(nèi)電場,從而形成特殊的雙電層電荷分布結(jié)構(gòu)超級電容器是從多孔碳基電極材料得到其儲(chǔ)存電荷面積的,它每克的表面積可高達(dá)2000平方米。而超級電容器中電荷分隔的距離是由電解質(zhì)中的離子大小決定的,其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離,使得超級電容有很大的電容量。隨著超級電容器放電,正負(fù)極板上的電荷被外電路泄放,在電解液界面上的電荷相應(yīng)減少,所以充放電過程始終是物理過程,沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的,與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。
1.2各領(lǐng)風(fēng)騷：超級電容vs鋰電池
能量儲(chǔ)存是超級電容與電池的功能特點(diǎn)，故而在風(fēng)光發(fā)電、電動(dòng)汽車等等應(yīng)用領(lǐng)域中，超級電容與電池特別是鋰電池的技術(shù)之爭從未平息。
從能量密度和功率密度的角度來看，電池共同的特點(diǎn)是能量密度相對較高，但是由于電流較小，功率密度較低。而超級電容則正好相反，由于電流較大，功率密度較高，但是受限于材料等因素，能量密度較低。
相比于電池（鉛酸、鎳錳、鋰），超級電容具有充電速度塊，功率密度高、壽命長、安全性好、環(huán)保、工作范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在一定的應(yīng)用場合將成為傳統(tǒng)電池的替代者。
而超級電容最大的問題在于能量密度較低，包括體積能量密度和重量能量密度兩個(gè)方面，所以更多應(yīng)用在體積、重量相對不太敏感，對于瞬間大電流有應(yīng)用要求的使用環(huán)境。
事實(shí)上，我們相信未來更多的應(yīng)用將是把超級電容與傳統(tǒng)電池結(jié)合的模組化產(chǎn)品，又超級電容滿足瞬間功率要求，由電池提供穩(wěn)態(tài)功率輸出。
2.超級電容的廣闊空間
超級電容可以廣泛應(yīng)用于輔助峰值功率、備用電源、存儲(chǔ)再生能量、替代電源等不同的應(yīng)用場景，在工業(yè)控制、風(fēng)光發(fā)電、交通工具、智能水表、電動(dòng)工具、軍工等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景，特別是在部分應(yīng)用場景具有非常大的性能優(yōu)勢。
從過去幾年超級電容市場領(lǐng)先的Maxwell的情況來看，從2007年的1740萬美元，到2012年接近1億美元，呈現(xiàn)出快速的增長勢頭。
根據(jù)美國能源局測算，超級電容的市場容量從2007年的40億美元，增長到2013年的120億美元。而中國市場超級電容2013年則達(dá)到了19.2億元人民幣，預(yù)計(jì)到2016年將超過33.8億元人民幣。一旦汽車等應(yīng)用打開，市場將迎來快速的爆發(fā)。
2.1新能源應(yīng)用潛力巨大
新能源領(lǐng)域中，太陽能、風(fēng)能等能源具有時(shí)間上的不均勻性，在晝夜和不同季節(jié)的分布上變化較大，超級電容與由于充電快、壽命長，可靠性強(qiáng)，耐大電流能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可以在太陽能、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
在太陽能、風(fēng)能輸出不穩(wěn)定時(shí)，由超級電容器作為緩沖器存儲(chǔ)過剩能量，在電能輸出不足時(shí)則將超級電容器中存儲(chǔ)能量在短時(shí)間內(nèi)釋放。
同時(shí)新能源采集中，需要用到各類機(jī)械控制系統(tǒng)，以往這類系統(tǒng)的能源由電池提供，由于工作具有間歇性和瞬間強(qiáng)度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致電池壽命大大降低。超級電容器由于充放電快，壽命長，特別適合這種應(yīng)用場景，更可以減少頻繁更換電池帶來的人工和維護(hù)成本。
2.2電動(dòng)汽車：超級電容與鋰電池整合方案
隨著Tesla的銷售火熱帶動(dòng)了整個(gè)市場對于新能源汽車的巨大熱情，超級電容作為新能源汽車的能源選擇之一受到廣泛的關(guān)注和研究。
目前來看超級電容主要包括兩類應(yīng)用，一是應(yīng)用于純電或混合動(dòng)力電動(dòng)車，作為能量存儲(chǔ)緩沖單元，在汽車減速或停車時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在超級電容模組中，在啟動(dòng)過程中利用超級電容的瞬間大功率特性，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。智能啟?？刂葡到y(tǒng)成為了超級電容在新能源汽車領(lǐng)域的重要應(yīng)用。
另一類應(yīng)用則是具有穩(wěn)定行進(jìn)線路的超級電容公交大巴，這一應(yīng)用目前已經(jīng)在包括上海等幾個(gè)城市展開試點(diǎn)。以超級電容作為主要?jiǎng)恿υ磿r(shí)，由于超級電容目前存在能量密度小的問題，續(xù)航里程相對較短。但是應(yīng)用于具有穩(wěn)定行進(jìn)路線的公交大巴應(yīng)用時(shí)，由于站點(diǎn)間距離有限，可以利用停站上下客的時(shí)間快速充電，恰好符合超級電容的性能特點(diǎn)。
2.3智能水表應(yīng)用：大幅降低維護(hù)成本
傳統(tǒng)的智能水表，在控制水閥普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于重量輕、能量大、自放電率低等。但是鋰電池使用到一定時(shí)間后，不得不更換電池，需要上門為用戶更換電池或水表，增加了后續(xù)的維護(hù)成本。對于水表生產(chǎn)廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事。另外，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的，如果不精確和及時(shí)的監(jiān)測電池電量，將無法可靠的關(guān)斷水閥，造成無法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點(diǎn)，直接影響到它的推廣和使用。
用超級電容代替鋰電池可以解決這個(gè)問題。超級電容是一種無源器件，介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電特性，同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性，并且重復(fù)使用壽命長，放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為設(shè)備提供電源。
將電池從水表中分離出來，從而可以不考慮電池壽命對水表的影響，延長了水表的使用時(shí)間。超級電容的大電流放電特性保障了水閥關(guān)斷的可靠性，在外接干電池電量不足時(shí)，仍能利用存儲(chǔ)在超級電容上的能量將水閥關(guān)斷。改用超級電容后，漏電流指標(biāo)變得不重要。如果電池電量不足，用戶可以隨時(shí)更換。
投資建議
基于中國消費(fèi)電子近年來的驚人增長表現(xiàn)，預(yù)計(jì)今后幾年內(nèi)，我國紐扣型超級電容器有望保持30%以上的平均增長率，卷繞型和大型超級電容器則有可能保持50%以上的平均增長率。因此，我們給予超級電容行業(yè)“看好”的投資評級。
當(dāng)前國內(nèi)從事大容量超級電容器研發(fā)的廠家共有50多家，然而能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水平的廠家不到20家。上市公司當(dāng)中，我們重點(diǎn)推薦標(biāo)的：銅峰電子、江海股份、法拉電子、新宙邦。
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