【导读】超级电容作为储能设备可以说是具有天生的优势，锂电池之类的主流储能形式都是由电能转化学能再转电能，存在一定的能量损失，而超级电容的充放电过程中能量自始至终为电能，充放电效率极高。由于其储能过程无化学反应，而且可逆，所以充放电寿命远高于一般的锂电池。
其次，超级电容的功率密度非常高，瞬时动态特性和扭矩表现更好，非常适合解决大型电动车的启动加速问题。而且在高功率表密度下，更容易做到大功率快充，只需短短十数秒到十分钟，就可以达到额定容量的95%以上.
在安全性上，超级电容也同样胜过锂电池一筹。因为超级电容是物理储能，即便在短路的情况下，也不会出现液体泄漏、冒烟、起火、破裂或爆炸的现象，而且充放电时温升非常小，不必担心过热的情况。而且超级电容的原材料无污染，是绿色的储能设备，可以轻易达到环保标准。
那么有了这么多优点，为何超级电容还没有取代锂电池呢？关键就在于能量密度上。储能设备的首要任务就是“储能”，如果不能存储大容量的电能，那么快充、寿命这些需求都是伪命题，或者是只能用于特定的场景。
超级电容的能量密度并不高，甚至普遍低于10Wh/kg，这与动辄高于150Wh/kg的锂电池相比，可以说是致命的劣势。
不仅是质量能量密度，超级电容的体积能量密度同样低于锂电池。也就是说同等电能容量下，超级电容所需的体积和质量都要大于锂电池。对于乘用车这种结构和体积要求严格的产品来说，超级电容可以说是在第一轮就被刷了下来。
不过，这并不代表着超级电容不能在电动车市场找到一席之地，尤其是在公共交通上。
公共交通：弱化超级电容的劣势
既然在体积上没有优势，那就不妨选择体积要求较小的公共交通市场。早在2006年，上海就投入了超级电容公交车，在上下客期间充电30秒到1分钟就能跑上5公里。然而这种超级电容车虽然能耗低，但设备安装和制造成本过高，并没有广泛推广。
不仅如此，充电一次存储的能量太少，尤其是在大客流和夏天开空调的大功耗下。若要兼顾里程数的话，充电时长又很难满足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交车开两站就停下充电的情况，司机也不想因为充电耽误里程和时间。
为了解决这一问题，不少超级电容车开始采用超级电容+锂电池混用的技术。超级电容负责解决充电速度、加速扭矩和制动等问题，而锂电池则负责辅助解决续航里程问题。如果总行程距离并不长的情况下，可以只在首尾站架设充电弓。若是非得在中途充电的话，也可以在中间站架设充电功率低的充电弓，以解决充电时间问题。
2020年底，全国首条超级电容+锂电池的有轨电车，广州黄埔有轨电车1号线也开始正式运营。该线路采用的超级电容单体容量达到9500法拉，上下车间隙的充电时长不到30秒，作为辅助储能的钛酸锂电池则负责紧急情况下的补偿供电。
超级电容+锂电池：黄金搭档成为明星组合
超级电容和锂电池的组合能够最大限度地发挥它们各自的优点，是新型储能系统理想的解决方案。超级电容短时大功率与电池长时能量输出结合可以以更低的投资和运营成本实现储能系统的普惠应用。
功率型超级电容堪称混合储能系统中当仁不让的“闪电侠”，它具有大倍率（＞100C）、长寿命（100万次）、环境适应性好（-40°C~70°C）的优点，成为了混合储能系统至关重要的角色。超级电容的寿命是磷酸铁锂电池寿命的200倍左右，因此，对于频繁的调频动作，超级电容在生命周期内的度电成本更低，是磷酸铁锂电池的三分之一。超级电容是纯物理器件，安全性更高，响应速度快，基本免维护，维护简便。另外，它比飞轮储能更加安全，经济性更高。而这些特征很好地符合了新型电力系统的发展需求。
这样的混合储能系统可以覆盖源网荷的广泛领域，在源与网侧主要体现在优化新能源发电及辅助火电厂的二次调频应用。
新能源发电可以借助超级电容混合储能系统的优势来扬长避短。混合储能系统不仅可以调峰、削峰填谷，还可以平抑新能源电站的功率波动，改善电能质量，提升新能源的消纳，减少弃风弃光；超级电容提供快速调频和电压稳定，在频率事件时可成功提供毫秒级别的“综合惯性“，快速响应电网调度，减少考核；超级电容与锂电池配合，可以实现不同时间级别的功率平抑功率输出波动，配合电网进行快速一次调频和二次调频，稳定电网频率，释放新能源电站的备用用量，发出更多的电量；大部分短时间尺度的调频指令由超级电容完成，减少了锂电池储能动作次数，减少发热，延长了锂电池的寿命，进而延长了整体储能系统的寿命。
另外，混合储能系统在辅助火电厂AGC调频方面优势明显。一般来说，频繁快速的调节会增加燃煤机组的磨损和发电煤耗，环保参数难以控制，还会危及机组自身及电网安全。当前电源结构仍以火电为主，优质调频电源比较稀缺，供热机组比重加大的同时，频率控制难度也会相应升高。而混合储能系统能够快速充放电并精准调节输出功率，调频效果远好于常规发电机组。综合来看，储能系统的调频效果约是水电机组的1.4倍，是天然气机组的2.3倍，是燃煤机组的20倍以上。江苏、山东、甘肃、广东等相关地区针对新型储能参与调频已出台相关鼓励政策。
混合储能系统辅助发电机组参与AGC调频，利用储能系统的快速、精准响应特性来弥补常规发电机组的缺点，引入相对少量的新型储能（容量3%左右）就能够有效地提高电网调频能力，提高火电厂的调频综合系数K值，从而提高调频补偿收益。同时，当其成为区域内优质的调频资源时，可在电网中获得更多的调频里程，进一步提高了调频补偿收益，综合调频收益大大增加，投资回报率显著提高。
混合储能系统利用了超级电容的特点，同样减少了锂电池储能动作次数，系统寿命延长，在增加生命周期的收益的同时提高了系统安全性，既可用于新建系统，也可用于原有电池储能辅助调频的改造。
电容储能容量获突破
最近，清华大学研究者在激光制造超级电容储能器件方面取得研究进展，提出了一种前驱体辅助超快激光加工的新方法，用于制造小尺寸、高容量的电容器件。
近日，相关论文以《通过五氯化钼前驱体辅助超快激光碳化制造复合型超级电容器以提高电容性能》（Fabrication of Hybrid Supercapacitor by MoCl5 Precursor-Assisted Carbonization with Ultrafast Laser for Improved Capacitance Performance）为题发表在 Advanced Functional Materials 上。清华大学机械工程系博士生郭恒为该论文的第一作者，闫剑锋副教授为论文的通讯作者。
该方法利用前驱体对超快激光的吸收增强效应，同时诱导聚合物的碳化反应和前驱体的氧化还原反应，在降低激光加工阈值、提升加工精度的同时，原位加工出金属氧化物与碳的复合材料电极。
利用该方法加工的电极材料具有多孔、亲水的形貌特征，含有碳材料、金属氧化物活性成分，制备的超级电容器同时具有双电层储能机制与赝电容储能机制。
值得关注的是，在加工精度方面，激光加工线宽可小于 10μm，可按需加工出几十微米尺度的电容器，为制造大量微电容、形成电容阵列，以实现更高的电压与电流输出奠定了良好基础。
在比电容方面，器件的比电容可以达到 11.85mF/cm2，与相同条件下制备的碳化电容器相比，容量提升了 9.2 倍。
来源：贤集网
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