超级电容器行业发展概况

一、超级电容器简介

它兼具了电池的高能量贮存特性以及电容器的高功率输出特性。超级电容器的主要特性如表1-1所示。

表1-1超级电容器的主要特性

超级电容器在新能源领域并不是一个陌生的名词。实际上，超级电容器已在该领域历经了几十年的坎坷，虽然它的应用形式与电池不同，但在实际应用上却总被电池取代，此外还面临成本高、技术难度大的劣势。然而，超级电容器在技术上一旦取得突破，将可能对新能源产业的发展产生极大的推动力。因此，尽管研发过程困难重重，但攻克它的意义却很重大。

二、市场格局

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。国外主要的生产企业有：美国的Maxwell公司，俄罗斯的Econd公司、Elit公司，日本的Elna公司、Panasonic公司、Nec-Tokin公司，韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。

目前中国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。国产超级电容器已占有中国市场60%~70%的份额。

众所周知，电极材料是超级电容器的关键所在，它决定着电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。截至目前，研究和应用最广泛的超级电容器电极材料主要是碳质材料，包括活性炭、活性碳纤维、碳纳米管等（参数比较如表6-3所示），其中最为成熟的是活性炭。然而，它们的性能指标未来很难满足不断发展的微型能源系统的实际使用要求。

表1-2超级电容器电极材料参数比较

石墨烯与其它碳材料相比，比表面积大、电导率高、化学稳定性好，这些优良的性能使石墨烯及石墨烯基材料符合高能量密度和高功率密度的超级电容器对电极材料的要求，是理想的候选电极材料。

2 石墨烯-超级电容器行业的应用综述

石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层，但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，使得形成的有效双电层面积减少（一般化学法制备获得的石墨烯具有200-1200 m2/g）。即使如此，石墨烯仍然可以获得100～230F/g的比电容。如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容。同时石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此石墨烯基超级电容器具有良好的功率特性。通过不同的合成与制备过程将石墨烯与其它材料构成复合电极材料，分别应用于双电层电容器、法拉第准电容器或混合型超级电容器。

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。

石墨烯超级电容器和其他电容器各方面性能对比如表2-1所示。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。

表2-1不同电容器之间的性能对比

来源：根据文献资料、专家调研整理，海通证券研究所

3 石墨烯-超级电容器专利分析

图3-1石墨烯储能与光伏专利类型构成

从储能领域来看（见图3-1），石墨烯方面的专利申请共1432件，主要集中在锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、铅酸电池、燃料电池等领域，其中申请量较多的主要有锂离子电池（专利申请量646件，占总申请量的45%）；超级电容器（专利申请量395件，占总申请量的28%）；太阳能电池（专利申请量123件，占总申请量的9%）；燃料电池（专利申请量111件，占总申请量的8%）。

4、市场前景预测分析

毋庸置疑，超级电容器凭借自身使用寿命久、高充放电效率等显著特点，只要找准自身发展的合适土壤，未来发展潜力巨大。根据2014年美国IDTechEX数据统计，2014年超级电容器全球市场规模为11 亿美元。预计到2018年，超级电容器全球市场规模将达到32 亿美元，年复合增长率为31 %（如图4-1所示）。就目前形势来看，中国超级电容器的产业化发展势头正旺，颇具规模，也将引领全球超级电容器行业的大发展，至2020年，行业市场规模将达到近55亿美元。

图4-12010-2018年全球超级电容器市场规模

超级电容器行业在不断抢占着全球市场，石墨烯-超级电容器更将以其高比表面积、晶体化结构和高电导率来提高比能量、延长使用寿命和提高比功率，在超级电容器领域表现出色，有效解决超级电容器面临的难题。最初将应用在手持设备上，如移动电话，其尺寸限制将更高的溢价放在性能方面。未来的超级电容器市场中，石墨烯基超级电容器将崭露头角。随着国家政策及企业对石墨烯研发及应用的大力支持，石墨烯超级电容器的研发也得到了突飞猛进的发展，逐步走向市场化。CGIA Research预测到2020年石墨烯-超级电容器的市场规模将达到271.7亿元（如下图4-2所示），将占据超级电容器的大部分市场。

图4-22016-2020年全球石墨烯超级电容器市场规模预测