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中国超级电容器产业发展概要
军工资源网    2020-03-25 02:42:05    文字:【】【】【
     一、新能源发展机遇赋予超级电容器的使命

  二十一世纪,国际产业大流通与大融通,带来了制造业的飞速发展,带动了巨大的能源需求与储能需求,也面临着总体碳排放与环境压力。以大城市为巨大发展中心的集聚之地,是繁荣之源,也是清洁能源高效工作与生活之所,是新能源发展的主体实施地。

  新能源产业的发展,包括清洁电源储能与区域供应,纯电动交通,过程节能减排等关键环节,目前以二次电池(锂离子电池为主),超级电容器,氢燃料电池三大核心产品为主要脉络,而衍生扩散出巨大的应用网络。近期又与物联网,车联网形成了新的融通互动,显示出勃勃生机与巨大的机遇。从而成为中国“十一五”以来,国家产业政策积极推动与倡导的方向。这与美国在新能源电动车的发展,日本电池企业的发展,欧洲对于碳减排的绿色产业的巨大政策扶持,形成了异曲同工之妙。

  在以新能源驱动的交通为主的产业链中,锂离子电池以产品密度最高为特征,成为乘用车的动力首选,已经形成一个巨大的产业。超级电容器则以功率密度最高为特征,成为客车,轨道交通启动,能量回收应用的必不可少的系统。而氢燃料电池还属于后来者,尚未投入商用。同时,电池与超级电容器的联立系统,起到能量管理与功率管理最高效的系统,是业界看好的发展方向。高端跑车与轿车已经成功实现这一模式,正在迅速进入大众生活。超级电容器在汽车应用主要包括有客车的辅助驱动,卡车的启停电源,乘用车的制动能量回收系统和悬挂电源,快充公共交通等。随着智能电动车的发展,超级电容器在冗余电源方面具有潜在应用价值,满足汽车功能安全要求。多个车企采用超级电容器作为混合动力解决方案,例如:一汽红旗、奥迪、沃尔沃、标致等厂商均推出了采用超级电容器的车型。随着汽车的电动化、智能化、网联化和共享化的发展,超级电容器在可靠性冗余电源和舒适系统等方面具有潜在应用价值,满足汽车功能安全和舒适性要求。在轨道交通领域,超级电容器储能系统作为能量回馈系统和动力系统的应用进入规模推广应用,以地铁再生能量回馈系统应用为例,单地铁线路月节电量达2.7万度,每年节电约33万度,经济效益和环保效益显著。

  另外,超级电容器与氢燃料电池的联立系统,被誉为更加合理的搭配,正在预定未来的发展道路。国际众多著名传统内燃机乘用车公司,在这场新能源产业竞争中的固执,被动与最终转向选择,也昭示了清洁,绿色产业的浩浩荡荡之势。
 
  二、中国超级电容器产业的创新

  超级电容器作为一种能量储存系统,是西方科学家提出来的。产业是美国Maxwell公司发展起来的,并且是由军用逐渐过渡到民用的。这个发展历程,像极了锂离子电池的发展历程。这两种商业化的电化学储能系统,都经历了“东渡”,最终在中国落户开花,发扬光大。

  中国的锂离子电池产业,已经成为国际最大,代表性企业如宁德时代,比亚迪等,已经有足够的技术实力与国际同行媲美,且占据了中国大市场的天然优势,成为业界翘楚。中国的新能源纯电动车生产量与消费量,也成为了国际最大。

  同样,中国超级电容器产业,也经历了同样的历程。中车新能源与集盛星泰公司的合并,成为世界上最大的超级电容器生产企业之一。同时,中国的超级电容市场也变成了国际最大。中国超级电容的应用领域,也从传统的超级电容器应用领域(包括电力储能、风力变桨,回收港机的能量,车辆的刹车回收能量),创新地拓展了轨道交通的纯电容驱动,公交车的纯电容驱动,既开拓了巨大的新兴市场,又打破了国际上“超级电容器只能作为辅助电源”的传统观念,从而激发了更多的产业想象。电池型电容新技术的开拓,与电源管理技术,则带来了光伏照明行业的新应用与新发展,在寿命与使用便捷性方面,大大超越了传统锂离子电池路灯。

  值得大书特书,中国还在世界上成立了第一个超级电容产业联盟,目前已经有176个会员单位,这个规模是欧美及全世界电容器的总和,也无法超越的,在许多国家是想都不敢想的事情。这个联盟,既包括了中国中车,上海奥威,南通江海、锦州凯美、湖南耐普恩、今朝时代,万裕三信等传统电容器强将,也囊括了江苏中天科技,北海星石,广东绿宝石,天津普兰,辽宁博艾格、亿纬锂能、上海凌容、山东精工、浙江斯瑞特、福建火炬、浙江凯恩等制造业新势力,也包括了清华大学、复旦大学、同济大学、中科院电工所、防化研究院、北京化工大学、南京航空航天大学、中南大学、厦门大学、云南大学、吉林大学、天津工业大学、中科院煤化所等众多的研究单位,带动了炭电极材料,电解液,电容器件和系统从研发到应用的整个产业链的兴盛。同时,由于产业未来在中国,且在迅速扩大,相应使得外国市场逐渐缩小。韩国的传统电容炭PCT公司,被山东海科集团收购。国际电容器企业龙头Maxwell公司被特斯拉公司收购,并入更加大的产业链条中,都或多或少昭示了“时也,运也”的趋势。

  据超级电容产业联盟统计,最近五年来,中国超级电容器产业的市场增长率超过35%。 部分产品,赶上了产业升级换代的契机,市场增长率超过了100%。比如:(1)以48V/165F超级电容器模块为例,目前其模块成本相比2010年下降了70%。(2)由于电网需求的拉动,使小容量电容产能骤升,制造成本呈现几何级数降低趋势,为破解超级电容的规模化应用的成本限制开辟了思路。随着超级电容器在汽车、轨道交通、智能仪表等领域的标准化、通用化和模块化的应用推广,其成本也将实现持续降低。比如,地铁能量回馈系统,由于系统充电功率和输出驱动功率都很高,超级电容器由于可以快速充放电,因而可以配置更少的电量而实现节能减排的功能,故而整个储能系统的全寿命周期成本,比锂离子电池,铅酸电池都具有明显优势。预计北京冬奥会的成功举办,将看到更多的符合绿色发展理念的超级电容器产品大显身手。
 
  三、未来超级电容器产业发展路线

  (1)坚持核心材料、核心技术国有化,解决行业卡脖子问题

  超级电容器电极技术是超级电容器的核心技术,2008年之前曾一度制约了我国超级电容器行业的发展。随着关键的电极浆料和涂布工艺的突破,并实现规模化生产,我国企业已经掌握了核心电极技术。此外,国内相关企业从高分子科学角度出发,通过对氟塑料的结构和性能关系的工程化实践,开始了自主研发干法电极技术,取得了关键技术的突破和规模化量产。目前中车新能源、天津普兰纳米、烯晶碳能、上海凌容、济南圣泉等都具有干法电极技术和相关超级电容器产品。国内超级电容器企业对干法电极技术的掌握,对支持中国汽车行业的超级电容应用和干法电极电池的发展具有坚实基础。

  此外,在超级电容上游材料方面,我国的电解液厂家如新宙邦、国泰超威等已经占据了主导地位。以北海星石、福建元力、阿佩克斯和吉林凯禹等为代表的国产电容碳电极材料也在逐步成熟。中天超容、普兰纳米、晨祥丰凯和中科超容等正在将新型碳基材料(如石墨烯,碳气凝胶,介孔炭等)与特定的加工工艺(如泡沫铝等)结合,以进一步提升双电层电容器的工作电压和能量密度,拓展新的应用领域。

  国内汽车企业,如一汽、东风、上汽申沃、金龙海格、宇通客车和吉利等,都进行了与超级电容器相关的应用开发和技术储备,部分产品已在市场销售并进入国际市场,对促进超级电容器的发展起到了推动作用。

  (2)持续做好产品,涌现越来越多优秀企业,做大市场

  2001年科技部首次把超级电容器研制纳入“863重大汽车专项”,继仪器仪表领域应用之后,开启了我国新能源汽车应用和仪器仪表类应用研究并行,跟随美国Maxwell和日本、韩国相关技术发展的阶段。在这一阶段中,一批先行的企业如锦容、凯美、奥威、集星、合众汇能、今朝时代、耐普恩、南车/中车新能源等陆续成立,力神和福群等与Maxwell建立了OEM生产合作,中车四方所与Maxwell合作开发混合型超级电容器等,奠定了我国超级电容器行业研发和产业化的基础。经过多年的自主创新,我国的能量型超级电容器处于世界领先水平,双电层电容器的主要技术指标达到Maxwell同类产品水平。

  2010年开始,国产超级电容器已经陆续开始在新能源客车、风力发电、现代有轨电车、轨道交通储能、智能三表、电力配网设备等领域开始批量应用。伴随超级电容器应用领域的不断拓宽,我国的超级电容器产品的研发、生产和应用都得到了快速发展,技术上紧追美国和韩国,产能规模也逐步达到甚至超过了韩国的水平。

  2015年之后,我国超级电容器产业开始了快速发展,在储能式有轨电车、超级电容客车、超级电容路灯等领域都形成了国际首创应用,在轨道交通、风力发电、智能三表、电动船舶、ETC等领域的应用规模都达到了世界领先。与此同时,随着中国中车、上海电气等骨干国有企业,山东精工、博艾格、浙江斯瑞特一批快速发展企业,以及宇通客车、江海股份、新筑股份、中天科技、思源电气等上市公司纷纷投资或进入超级电容器的研发和制造,经过多年的自主创新,我国超级电容器研发和生产能力上了一个显著的台阶,无论从产品技术水平还是产能规模上都达到国际先进水平。

  (3)随着电池型电容的迅猛发展,开拓更多的纯电池替代领域

  超级电容器具有充放电速度快、使用寿命长、适用温度范围宽、安全可靠性高等特点,使得其在诸多应用领域具备明显优势,在汽车、轨道交通、工业AGV、电网及电力设备、仪器仪表和传感器、数码电子、智能家电、电动工具、通讯设备、工程机械、船舶、航天军工等领域已经得到广泛应用,并处在一个高速增长阶段。

  随着电池型电容的发展,超级电容器越来越具有高的能量密度、高的功率密度与超长的使用寿命。有望解决传统的二次电池与传统的超级电容不能兼顾三方面特性的弊端。未来,随着车辆的电动化、网联化和智能化,超级电容器独特的性能特点使其在新能源车领域具有巨大的应用前景,主要体现在快充车辆、辅助驱动、安全冗余和舒适性提升四个方面。

  公交客车等新能源车辆,使用频繁,利用超级电容器的功率特性和寿命特性,开发快充型车辆,可实现站点快速充电,降低新能源车辆充电设施和场地投入,并且可以大幅提升车辆的低温地域和高温地域的适应性。

  在辅助驱动应用方向,作为车辆高功率辅助输出、制动能量回收装置,与电池进行组合,弥补电池高功率输出和大电流输入方面的不足,增强系统环境适应性从而大大提升电池系统的寿命和安全性,并降低系统成本。这也是Tesla技术布局的方向之一。另外超级电容器还可以作为燃料电池系统的辅助驱动电源,可以大大提升燃料电池的系统性能。

  在提升舒适性方面,利用超级电容器电性能特性可以实现诸多辅助功能提升,例如支持电子悬挂,可提升车辆的舒适性。另外,超级电容器寿命长、可靠性高,可作为乘用车安全冗余电源,提升整车的功能安全。总之,有充分的数据与准确的趋势预测,中国超级电容器产业发展将驰向高速新车道,拥抱越来越多的应用场景,服务于中国与国际的现代化进程,服务于人类越来越美好的绿色、健康生活。(中国超级电容产业联盟  骞伟中、陈胜军、崔维国)
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