镍碳超级电容器

2023年11月20日发(作者：五菱宏光s3新款图片)

“高能镍碳超级电容”概念

人民网天津2011年9月1日电（记者陈杰）今天从天津市政府召开的发布会获悉，新

型动力电源高能镍碳超级电容器在津研制成功。这一产品结合镍氢电池能量密度和电容器功

率密度，循环寿命达到5万次以上，搭载该电容器的智能搬运车实际充放电次数已达1万

次以上，使用温度可达零下40摄氏度至零上70摄氏度，对环境不产生污染，经专家鉴定，

技术达到国际先进、国内领先水平。

2010年，天津市政府引进中国工程院院士周国泰领衔的科研团队，开发新型动力电源

产品，在解放军军事交通学院建成超级电容实验室，经过刻苦攻关，在已有基础上，取得了

纯电动车动力电源领域的重大突破。★周国泰院士及团队采取综合性能平衡设计思路，提出

了一种“内并式”超级电容器结构方案，将活性碳材料引入镍氢电池负极，使“超级电容器

与镍氢电池结合为一体”，开发出高能镍碳超级电容器并已完成中试。

为探索高能镍碳超级电容器产品在新能源汽车上的适应性，天津市组织了整车搭载测

试，周国泰院士团队与南车集团合作开发了高能镍碳超级电容纯电动大客车，与天津一汽夏

利公司和天津松正电动汽车公司合作开发了高能镍碳超级电容轿车，同时还在纯电动中巴

车、电动自行车、便携式红光辐照仪上配装试用。

下一步，天津市将致力于高能镍碳超级电容器产品的产业化，首期达到年产1000万只

30亿安时的产能，还将率先在公交系统逐步推广高能镍碳超级电容车辆。天津市科委主任

赵海山说，高能镍碳超级电容器研制成功，使我国有望在动力电源和新能源汽车等战略高技

术领域的国际竞争中取得竞争优势。

超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相

同，因此也有称作“电容电池”。

超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最

大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极

和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

超级电容的特点：

（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；

（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记

忆效应”；

（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循

环效率≥90%；

（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；

（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理

想的绿色环保电源；

（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期

使用免维护；

（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；

（8）检测方便，剩余电量可直接读出；

（9）容量范围通常0.1F--1000F 。

法拉（farad），简称“法”，符号是F

1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V

1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。

1库仑=1安培·秒

1法拉=1安培·秒/伏特

做一下类比：

电瓶（蓄电池）12伏14安时的放电量=14*3600/12=4200 法拉(F)

地球的电容值仅有1-2F左右

超级电容与电池比较，有如下特性：

a.超低串联等效电阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是锂离子电

池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）。

b. 超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和

Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

c. 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。

d. 免维护，可密封。

e.温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。

有专家说，目前，几乎所有的人都认为电动汽车是未来的发展趋势，但种种迹象表明，

电动汽车离我们还是比较遥远。但电动自行车风靡全国，每天提几公斤的电池上下楼，在居

民小区并不鲜见。电动汽车怎么办？

为此，有学者发表文章，对电动汽车提出种种担忧和质疑。有说电动汽车在电池上不

成熟的，有说原子电池、聚合物电池、燃料电池、锂离子电池等任何电池都不环保的，各种

议论不绝于耳。

有各种质疑和担心，也属正常。科技创新，正是在质疑中前行、在争论中创新的。说

着，周国泰从沙发上站起来：“在发展电动汽车的过程中，有各种担心，是可以理解的。电

池的问题卡住了电动汽车的脖子，这也是事实。”他扳着手指头，就说公交车吧，一辆公交

车，走100公里，若用油30升，按8元1升算，要240元；而用电，走100公里。用电70

度，每度电平均按6毛钱算，是42元钱。还是用电省吧。因此，发展电动车，不应动摇！

还以锂离子电池为例，与超级电容器比，锂离子电池成本7万元，充电2000次，每充

电1次按行驶100公里算，20万公里就要更换电池；超级电容器，也按充电1次行驶100

公里算，可充电5万次，甚至可达10万次、50万次，超级电容器的价格不高于锂离子电池。

超级电容器回收后，对材料再激活处理后还可以使用。计算一下，综合成本有多低！这样，

老百姓是不是就能用得起了？

超级电容器的生产是环保的，你可以到淄博年产100万只的生产基地去看，生产车间，

只有一个地漏，那是用来打扫卫生冲水用的，整个生产过程，不产生废水、废气，没有污染

排放。还用担心环保问题吗？

一、超级电容器研制成功,中国又一项重大科研突破(转)!!中国带来了新的希望。

据解放军报报道：记者今天在天津市政府举行的产品发布会上获悉，我国高能镍碳超级电

容器在津研制成功，取得了我国纯电动车动力电源研究的重大突破。

这种新型结构的高能镍碳超级电容器是在天津市重大项目科技支撑计划的支持下，由中

国工程院周国泰院士领衔的科研团队历时3年刻苦攻关成功开发的。经检测试用显示，超级

电容器具有能量密度大、功率密度高、充放电效率高、高低温性能好、循环寿命长、安全环

保、性价比高等诸多特点，有效解决了国内电动汽车电源技术瓶颈问题。推广使用后，将大

大缓解由汽车尾气造成的城市大气污染，降低综合运营成本。

周国泰院士介绍说，以一辆公交车为例，采用超级电容器后，每年就可节约运营费用约

13.5万元。这个项目的研发成功，将推动我国超级电容器产业发展，对抢占世界新能源汽

车科技制高点、缓解能源紧张有重要作用。

高能镍碳超级电容器，成为一种用在电动车上的全新电源，周国泰说：“实现了几个突破。”

周国泰介绍，高能镍碳超级电容器：

第一，在加大材料的比表面积上实现突破。传统电容，100年前就发明了，电容是靠比

表面积存储电荷，其优点是可无数次充放电，而且不发热。储电量的大小由其内部比表面积

大小而决定。超级电容器，就是在研发出新材料的基础上，尽可能地扩大比表面积，使储电

量大幅增加；

第二，超级电容在正负极的材料结构上获突破。电池的优点是储电量大，由电能转化成

化学能，再转化成电能释放出来，其比功率比传统电容高得多。超级电容，在结构上实现了

电池和传统电容的内并，实现了电池和电容的优点兼备。

锂离子电池，不是业界推崇的电源吗？周国泰说：“技术还不过关!”他将这种电池与超级

电容器作了比较。

第一，锂离子电池存在安全隐患。锂离子、有机电解质，其本身有易燃、易爆性，杭州、上

海曾发生的电动汽车自燃事件，今天谈起来还让人后怕。超级电容器，充满电后用射钉枪打，

使其短路，任何反应都没有；放火上烧，不锈钢外壳快烧红了，也没发生爆炸。锂离子电池，

一旦发生短路，就会燃烧或者爆炸。

第二，锂离子电池，基本是300A电流充电，时间长，一次充电要6—8小时，使用不方便。

超级电容器，可1500A，甚至3000A大电流充电，单块充满电只要几秒钟，上百块串联在一

起充电，6分钟可达90%以上。

第三，锂离子电池寿命短。充放电的标准是2000次，目前很少有能达到的，即使达到了，

性价比不实用。超级电容器，可大电流充电，瞬间大电流放电，效果理想，充放电可达5

万—50万次，而充放电的国家标准是5万次。就说在淄博那次试验，公交车装上超级电容

器充电后，乘坐满员，上了高速路，时速120公里，一次充电跑了210公里。使用超级电容

器的小轿车，瞬间可大提速，时速可达130公里。

“周院士说的是事实！”原海军后勤部技术装备研究所研究员陈同柱讲起了周国泰。

周院士是一位军人科学家。多年来，他创建了我们国家的军事科研的新模式和新路子。

他作为领军专家，坚持军民融合发展，他把军内外有关专家，战略研究的，军事需求的，科

研管理的专家都联合起来，充分集成地方的科研力量、技术成果，甚至地方的资金资源，高

效组合起来，形成优势。这就是他的“小核心大联合”的科研创新模式。

陈同柱说，就说超级电容器这个新能源项目，看起来是解决电动汽车动力问题，最终是

军民两用，可能在潜艇、航天，包括新型飞机、导弹都可应用，解决国防军事急需的新能源，

花了最少的钱，取得了大成果。现在，导弹、飞机、航天火箭，液体燃料的推力远远不够用

了，他的科研找到了路子，很可能要在这方面突破。这就是军民融合。

目前电磁弹射器最大的瓶颈就是超大容量电容，这个东西有可能是为电磁弹射器而研制的

二、中国日报记者获悉，一种新型动力电源产品、

——高能镍碳超级电容器日前在天津研制成功，并已通过整车搭载测试。初步应用表明，

该产品是我国在动力电源领域的重大突破，各项性能已达到国际先进水平，综合成本比目前

广泛使用的锂离子电池降低80％以上。

天津市科学技术委员会主任赵海山透露，天津市将致力于推动高能镍碳超级电容器产品

的规模产业化，并在天津建立高能镍碳超级电容器产业化基地，一期投资10亿元，达到年

产1000万只30亿安时的规模，二期工程将建成1亿只300亿安时的生产能力。

据悉，天津市政府于2010年引进了中国工程院周国泰院士领衔的科研团队，组织在天

津成立了天津国泰之光新材料技术研究院有限公司，建成了超级电容实验室，开发新型动力

电源产品。经过刻苦攻关，在已有基础上取得了纯电动车动力电源领域的重大突破。

据周国泰院士介绍，2010年我国确定了七大战略技术新兴产业，新能源汽车名列其中。

电池是电动车最核心的部件之一，但电源技术却成了制约行业发展的最大瓶颈，动力电源、

储能电池等技术已经上升到国家产业结构调整的战略高度。

天津市常务副市长杨栋梁告诉记者：“天津在发展新能源汽车方面取得了积极的进展，

已初步构建起整车、动力系统、电源及管理系统等比较齐全的新能源汽车产业。力争到201

5年，天津市战略性新兴产业产值达到一万亿元以上，占工业总产值比重30％以上，并形成

若干产值规模超过千亿元的产业集群，率先建立国家战略性新兴产业示范基地”。

中国工程院院士俞梦孙表示，这款产品把物理储能和化学除能原理相结合，从使用性能

上看，达到了国际先进、国内领先水平。

“实际上根据我个人的体会，在某些使用指标上，超级电容器已经可以达到国际领先的

水平。” 俞梦孙院士说，“经检测，超级电容器的电容量已经超过100万法拉，充一次电

可以跑200公里左右，能源转换比已经超过了80％，综合成本低于现有所有的电动汽车锁

使用的能源。”

周国泰院士及团队采取综合性能平衡设计思路，提出了一种“内并式”超级电容器结构

方案，将活性碳材料引入镍氢电池负极，使普通超级电容器与电池结合为一体，成功开发出

高能镍碳超级电容器并已完成中试。

“目前电动车比较广泛使用的是锂离子电池，但是锂离子电池存在自燃、爆等安全隐患

问题。此外，锂离子电池充电时间长，需6-8小时；使用寿命短，如果是快速大电流充电，

一般几百次电池就要报废了。这些问题不解决，电动车行业就不会有大的发展” ，周国泰

院士说。

据介绍，最高能镍碳超级电容器的使用寿命在检测时可达到大电流充电50000次，在日

常的实际使用中，也超过了15000次，整体使用寿命是锂离子电池的10倍，如果每天充放

电两次，连续使用可达68年。

“超级电容器的特点之一是充电放电效率高。单块电池在3秒钟就能充满，车用电池组

充电10分钟可达到其额定容量的95％以上。此外，该产品安全环保，具有良好的高低温性

能与环境适应性，使用温度范围可在-40摄氏度到70摄氏度之间，远大于其他电池的温度

使用范围，充电时即使过充或者短路，也不会导致燃烧或者爆。使用的是无污染材料，可全

部回收利用。” 周国泰院士介绍道。

为探索高能镍碳超级电容器产品在新能源汽车上的适应性，天津市组织了高能镍碳超级

电容器的整车搭载测试。周国泰院士团队与南车集团合作开发了高能镍碳超级电容纯电动大

客车，与天津一汽夏利公司和天津松正电动汽车有限公司合作开发了C级平台高能镍碳超级

电容轿车，同时该产品还在纯电动中巴车、电动自行车、便携式红光辐照仪等产品上进行了

配装试用。测试结果显示：该超级电容的特性在纯电动车辆上得到充分体现，在保证一定续

驶里程的基础上，可实现大电流快速充电和超长的循环使用寿命。

据介绍，为加大该产品的推广力度，天津市将率先在公交系统逐步推广高能镍碳超级电

容车辆，探索纯电动公交车的新型运营模式。依托该产品快速充电及循环寿命长的优势，新

型运营模式将采取线路单程进入终点站后，用十分钟左右的时间进行大电流快速充电，保证

下一单程续驶里程，即不打破原公交线路的配车数量和发车间隔，又能保证超级电容器长期

工作在浅充浅放的状态，延长使用寿命，真正实现纯电动汽车在公交系统的大规模应用。

“下一步我们要选择一条公交线路进行示范运行，进一步验证各项性能，力争用较短时

间在全市公交系统大范围推广应用。同时积极推动高能镍碳及新能源汽车产业，尽快形成产

业集群”，杨栋梁副市长表示。

三、超级电容器：战略价值远超锂电池的标准低碳经济核心产品

超级电容器属于标准的全系列低碳经济核心产品。它的功率密度远高于锂电池，充放电循环

次数可达 50 万次以上，寿命达 10 年以上，充电时间短，可大电流充放电；其中，它的最

大优点是：短时间高功率输出。鉴于其特点，它能够广泛的应用于消费类电子产品领域，还

能用于新能源发电系统、分布式储能系统、智能分布式电网系统领域，新能源汽车等交通领

域，电磁炸弹等军用设备领域和运动控制领域等，涉及新能源发电、智能电网、新能源汽车、

节能建筑、工业节能减排等各个行业，属于标准的全系列低碳经济核心产品。

超级电容器行业发展的关键驱动因素：电极材料技术的突破。它是一种与电池和传统

的静电电容器均不同的新型储能器件，商业化应用开发已有 30 多年的历史。按照储能机理

的不同，可以分为双电层电容器和电化学电容器。根据电极材料的不同，电化学电容器又可

以细分为金属氧化物电容器和聚合物电容器。双电层电容器是目前应用最广泛的超级电容

器，其电极材料主要是炭材料。它主要由集流体、电极、电解质和隔膜四个部分组成，其中

电极材料是最核心的影响因素。其上下游产业情况如下：终端应用行业、超级电容器组系统、

超级电容器电控系统、超级电容器、电极、电解质和隔膜。

预计超级电容器上下游产业发展将受到政府的强有力支持。它的用途决定了其战略价值，全

球各主要国家均投入大量的人力物力来研发。我们预计，随着中国经济结构调整的深入，政

府终将会发现其价值，并出台强有力的产业扶持政策以促进该战略性产品上下游产业链的发

展。目前，在全球民用超级电容器市场中处于领先地位的有：美国 Maxwell 公司、日本

Panasonic 公司、 韩国Ness Cap 公司和法国 Bollore 公司；在国内处于领先地位的有：

上海奥威科技、北京合众汇能、北京集星联合电子、哈尔滨巨容新能源和锦州凯美能源。

超级电容器产业链的投资策略如下： （1）超级电容器行业还处于起步阶段，但是未

来的发展空间很大； （2）超级电容器的最主要应用领域将集中于交通领域和智能电网领域，

其技术壁垒比较高，有望获得超额收益； （3）超级电容器在工业设备领域的应用具有一定

空间，但其基本上是基于项目来的，受益的公司将以超级电容器电控系统细分领域为主。超

级电容器上下游产业的上市公司主要有：深圳惠程（002168） （超级电容器） ，新宙邦

（300037） （超级电容器电解液） ，安凯客车（000868） 、曙光股份（600303） 、金龙

汽车（600686）

超级电容器最大的优点：短时间高功率输出

超级电容器是一种电化学元件，储能过程并不发生化学反应，且储能过程是可逆的，因此超

级电容器反复充放电可以达到数十万次，且不会造成环境污染。 另外，它具有非常高的功

率密度，为电池的 10-100 倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快、模式简单，可以采

用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程， 是真正意义上的快速充电。 充放电

过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，低温性能优越， 超级电容器充放电过程中发

生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，容量随温度的衰减非常小。

超级电容器的特性总结如下：

（1）高功率密度。超级电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够

实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数 kW/kg，是任何一个化学电源所

无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。

（2）充放电循环寿命很长。超级电容器在充放电过程中没有发生碘化学反应，因而其循环

寿命可达数万次以上，远比蓄电池的充放电循环寿命长。

（3）充电时间短。超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，远快

于蓄电池的充电时间。

（4）妥善解决了贮存设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般来说，比

能量高的贮能体系其比功率不高，而一个贮能体系的比功率高，则其比能量就不一定很高，

许多电池体系就是如此。超级电容器可以提供 1-5kW/kg 的高比功率的同时，其比能量可以

达到 5-20Wh/kg。将它与蓄电池组结合起来，可构成一个兼有高比能量和高比功率输出的贮

能系统。

（5）贮存寿命长。超级电容器充电后，虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在电容器

内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的， 并没有出现化学或电化学反应，没

有产生新的物质，且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的，因此超级电容器的贮存

寿命几乎可以认为是无限的。

（6）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因此超级电容器的可

靠性非常高。超级电容器的用途非常广泛，既可以应用于消费类电子产品领域，又可以应用

于太阳能能源发电系统、智能电网系统、新能源汽车、工业节能系统、脉冲电源系统等领域。

1.2 消费电子产品领域：长期来看具有广阔的市场空间

超级电容器可以用作消费电子产品的备用电源，长期来看具有广阔的市场空间。但是，我们

认为，该领域并非超级电容器的主流应用领域，与其他蓄电池产品之间的替代性并不明显，

在此不再详述。

新能源发电系统：采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性,太阳能源的利用最终

归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。 太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光

伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和

发展前景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始

了太阳能光伏发电的应用。 目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网

型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时

发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。目前，国际光伏能源产业的需求开

始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展， 光伏发电已有补充能源

向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭

院灯、广告牌等独立光伏发电系统。

通过蓄电池组构成的储能系统，能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动，还可以补偿电

网系统中的电压骤降或突升，但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素，

因此其使用寿命较短，成本较高。另外， 风力发电作为当前发展最快的可再生能源发电技

术， 具有广阔的应用前景。但是，风能是一种随机变化的能源，风速变化会导致风电机组

输出功率的波动，对电网的电能质量会产生影响。

目前， 风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平缓其输出功率，

但是该方法的功率调节能力有限；无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调

节，但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。通过附加储能设备，既可以调节无功功率、稳

定风电场母线电压，又能在较宽范围内调节有功功率。而风力发电研究表明位于 0.01Hz-1Hz

的波动功率对电网电能质量的影响最大，平抑该频段的风电波动对电网电能质量的影响最

大，平抑该频段风电波动采用较短时间的能量储存就可以达到目的， 因此能够实现短时能

量存储的小容量储能设备对风力发电的应用价值很高。

超级电容器因其具有数万次以上的充放电循环寿命、大电流充放电特性，能够适应风能、太

阳能的大电流波动，它能在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量，在夜晚或风力较弱

时放电，从而能够熨平风电、太阳能光伏发电的波动，实现更有效

的并网。 因此， 在新能源供应系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。

分布式储能系统：超级电容器能大幅优化电能暂态响应性能，应用领域广阔

20 世纪 80 年代以来，世界电力工业开始电力体制改革，其核心就是实现电力企业的私有

化和构建竞争性电力市场。电力市场是电力系统中的发电、输电、供电、用电各部分组织协

调运行并进行电力交易的综合体。

1992 年，电力部正式提出建立国内的电力市场。随着中国电力体制改革的进一步深化，电

力行业被重组为两大电网公司和五大发电公司，国家电力监管会正式挂牌运转，电力市场正

在逐步形成。

电能作为商品，电能质量自然就成为其重要的特征参数。IEEE 给出电能质量问

题的一般解释为：在供电过程中导致电气设备出现误操作或故障损坏的任何异常现

象。电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，涉及到电压、频率、

波形和三相平衡等方面的用电可靠性、连续性、可操作性等方面。

目前，美国西屋电气公司、德国西门子公司、日本三菱电气公司、瑞典 ABB 公司

等各大电力设备制造商都制造出相应的产品。

电压是电能质量的重要指标之一， 影响电能质量的电压干扰， 主要包括电压偏移、

三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量、电压跌落和瞬时断电等。

在提高电能质量的过程中，储能系统正起着越来越大的作用。根据容量大小的区

别，储能系统的主要作用也各有不同。

（1）大型储能系统：主要用作电力网的可调节发电电源，对电力网进行控制和

调节，如频率控制、备用容量控制、动态快速响应、削峰填谷调平负荷以及防止系统

解列和瓦解等。

（2）中型储能系统：主要用于大功率远距离输变电系统，其主要功能有提高输

电稳定性、维持电压稳定、抑制谐波、调节负荷等。

（3）小型储能系统：主要用于调节电能质量和提高供电可靠性，其主要功能有

电压控制、抑制电压波动与闪变、抑制电压下跌、瞬时断电供电等。

目前，可应用于配电网的储能系统主要有如下几类：超导储能系统、蓄电池储能

系统、飞轮储能系统和超级电容器储能系统。

智能分布式电网系统：超级电容器组储能系统必不可少

理想的供电电压应该是纯正弦波形，具有标称的幅值和频率。然而，由于供电电

压的非理想性、 线路的阻抗、 供电系统所承受的各种扰动、 负荷的时变性与非线性等，

供电电压常常呈现各种各样的电能质量问题。

电压型电能质量问题通常表现为幅值或波形的异常：电压暂降、三相不平衡、电

压波动与闪变、谐波及频率变动等。在所有的这些电能质量问题中，电压暂降和电压

短时中断对用电设备所造成的危害尤其严重， 短短几个周期的电压暂降都可能严重影

响设备的正常工作。

在欧美发达国家，电压暂降一次的经济损失可以达到几百万美元，而电压短时中

断的后果更加严重。目前，电压暂降已经上升为最重要的电能质量问题。在对电能质

量的诸多问题投诉中， 由电压暂降引起的用户投诉占总投诉量的 80%以上， 而由谐波、

开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到 20%。

换个角度考虑，电压暂降和短时中断之所以危害很大，就是因为很多用电设备对

其太过敏感。降低设备对电压暂降和短时中断的敏感度，提高其抗扰动的能力，就可

以让用户把损失降到最小，甚至可以完全避免由于电压暂降和短时中断所带来的损

失。

目前，解决方法主要有加装 UPS 电源、多路供电、加装 DVR（动态电压恢复器）

等。在这几种措施中，大功率 UPS的造价太高，多路供电也不能完全避免电压暂降和

短时中断所造成的损失，DVR（动态电压恢复器）的研究在中国才刚刚起步。

新能源汽车：采用超级电容器将加速插电式混合动力汽车的产业化

电动汽车对动力电池的性能指标要求如下：

（1）体积小、重量轻、贮存能量密度高，使电动汽车的一次充电续驶里程长；

（2）功率密度高，使电动汽车的加速性能和爬坡性能好；

（3）能够快速启动和运行，可靠性高；

（4）循环次数高，使用寿命长；

（5）环境适应性强，能在一定湿度下正常工作，抗振动冲击性能好；

（6）环保性能好，无二次污染，并有可再生利用性；

（7）维修方便，保养费用低；

（8）安全性好，能够有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸；

（9）价格低，经济性好；

（10）燃料储存、处理和输送方便，能够利用现有的燃油加油系统。

传统混合动力汽车需具有适当能量的高功率电池或超高功率电池，相对而言，对

容量的要求却不高。因此，传统混合动力汽车采用镍氢电池即可满足其性能要求。

超级电容器与磷酸铁锂电池具有互补性，两者组合成复合能源是中短期内的首

选。通过 2009 年8 月颁布的《德国国家电动汽车发展计划》 ，我们发现德国政府将超

级电容器与锂离子电池的研发放在同等重要的地位。 只有当锂离子电池的技术已经能

够达到较高的能量密度、较高的功率密度和较高的循环寿命的情况下，才可能单独采

用锂离子电池作为电动汽车的动力源。

运动控制领域：超级电容器能优化其暂态响应性能，实现节能目标

在现代高层建筑中，电梯的耗能仅次于空调。以往的电梯采用机械制动的方法，

将这部分能量以热的形式散发掉，这不但浪费，而且多余热量使机房温度升高，增加

散热的负担和成本。如果能够回收多余的动能及势能，电梯系统真正消耗的能量就只

限于电能转换中的损耗和机械损耗，其中主要包括变频器、牵引电机及其机械损耗。

因此，在电梯设计、配置中最迫切需要解决的问题是要全面考虑节能措施。采用

节能环保型电梯是未来节能建筑领域的必然趋势。通过分析电梯系统的运动特性，我

们可以发现节能的方向：电梯在升降过程结束时，经常会有制动刹车，产生巨大的制

动电流，这是可以回收的；另外，在建筑高层，电梯和电梯使用者都具有很大的势能，

也可以进行回收。由于超级电容器具有大电流充放电等优良的特性，可在电梯系统中

作为能量回收装置回收能量。

超级电容器还可以应用于建筑领域的通风、 空调、 给排水系统中， 作为启动装置。

另外， 超级电容器还可以应用于电站、 变流以及铁路系统中， 包括电磁阀门控制系统、

配电屏分合闸、铁路的岔道控制装置等。

作为能源最大消耗者之一的港口机械设备，港口机械如场桥、岸桥中的吊具载运

货物上升时需要很大的能量，而下降时自动产生的势能很大，这部分势能在传统机械

设备中没有得到合理利用。除了在固定港口机械设备中，在流动机械中也同样存在上

述问题。通过采用超级电容器，能够实现上升过程中的制动能量回收，下降过程中的

势能回收。

现代轨道车辆一般在直流电网中运行，因此可以将再生制动能量反馈回电网，即

机车在制动时将牵引电机变为发电机， 将列车的动能转化为电能回馈到供电系统直流电网

中去， 其中很小的一部分用于自身供能， 其余能量会被电网间的其他车辆所吸收，

但是前提是附近有其他车辆的存在，并需要相应的能量值。直流电网是无法完全容纳

制动所产生的能量的，所以当电阻制动时，电网电压会升高，当抬升到一定程度时，

机车采用电阻制动，使其剩余的能量变为热能逸散掉。特别是在电网电压较低、电流

较高、无再生变电所的直流电网中，通常只有 30%-50%的制动能量能被利用。采用超

级电容器组，可以实现上述制动能量的有效回收利用，大幅提高牵引机车的总体能量

效力。

超级电容器能用作飞机上柴油机启动系统工作电源的辅助电源， 能提供飞机发动

机瞬间所需的冲击大电流， 另外还可以解决 422系列电源车启动飞机瞬间功率不足的

问题，从而在启动瞬间对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。

总之，超级电容器能用于优化人类主要的运动控制系统的暂态响应性能，实现节

能的目标。

2. 新材料技术的突破成就超级电容器的发展

本部分首先介绍超级电容器的发展历史及其分类情况， 然后介绍其基本结构和上

下游产业链情况，最后介绍其工作原理。

2.1 超级电容器：商业化应用开发已有30多年的历史

超级电容器是一种与电池和传统的静电电容器均不同的新型储能器件。 它是基于

电化学双层电容原理或基于准法拉第电容原理，或是把两者结合起来做成的电容器。电化学

双层电容机理的发现最早应该归功于 1879 年的Helmholz，他发现了电化

学界面的电容性质。电化学超级电容器的真正研发生产始于 1962 年。在科技工作者

的努力下，电化学超级电容器于 1979 年由日本 NEC 公司开始了商业化应用开发，超

级电容器的发展逐渐步入加速发展阶段。

2.2 双电层超级电容器：应用最广泛的超级电容器

按照储能机理的不同，超级电容器可以分为双电层超级电容器（基于双电荷层机

理）和电化学电容器（基于法拉第氧化还原反应） 。根据电极材料的不同，电化学电

容器又可以细分为金属氧化物超级电容器和聚合物超级电容器。

双电层超级电容器的电极材料主要是炭材料，是目前应用最广泛的超级电容器。

对于液态双电层超级电容器（EDLC）来说，电解质为水系的超级电容器单体电压不超

过 1.2V，而非水系的超级电容器单体电压不超过 3.5V。 超级电容器的最核心材料：多孔

化炭电极

超级电容器主要由集流体、电极、电解质和隔膜四个部分组成，其中电极材料是

超级电容器性能的最核心影响因素。

传统物理电容器中储存的电能来源于电荷 Q 在两块极板上的分离。 两块极板被真

空（相对介电常数为 1）或一层介电物质（相对介电常数为 ε）所隔离。若想获得较

大的电容量就必须增大极板的面积 S 或减少介质厚度 d。在充放电过程中，电荷并不

穿过电容器，而是通过外电路转移。传统物理电容器中所储存的能量随外加电压的升

高而不断升高，直到电介质被击穿。

电池是以电化学能的形式储存能量的。 电化学能在电极界面处通过电化学反应发

生转化。 传统的加法尼电池其所储存的能量 E 等于电池放电过程中氧化还原反应所交

换的电荷量乘以电池两极之间的电压 E=QΔV。

超级电容器是一种与电池和传统物理电容器都不同的新型储能器件。 由于它本质

上的原理还是电容原理，因此要使超级电容器的电容达到法拉级，甚至上万法拉，就

必须使得极板的有效表面积尽可能的大，极板之间的距离尽可能的小。

所以，影响超级电容器性能的最关键因素有：电极材料的表面积、粒径分布（决

定距离） 、电导率、电化学稳定性等。 超级电容器投资价值最大的细分行业：超级电容器

电控系统行业

超级电容器的上下游产业基本情况如下：终端应用行业、超级电容器组系统、超

级电容器电控系统、超级电容器、电极、电解质、隔膜。

由于单体超级电容器的电压基本都不超过 5V，因此要满足高电压的应用需求就

必须将大量的超级电容器串并联起来。由于各个单体超级电容器的容量、温度特性等

参数的不一致，将出现小容量单体过充过放而其余单体容量不能完全加以利用的情

况。通过充放电电压动态均衡技术可以充分利用串联超级电容器组的储能潜力，同时

又能保证单体超级电容器的安全运行。由于终端需求的多样性和特定性，超级电容器

组需要根据其需求而进行充放电、温度管理等各种具体的任务，因此需要有专门的超

级电容器组电控系统来管理上述任务。 预计超级电容器上下游产业发展将受到政府的强有

力扶持

超级电容器的用途决定了其战略价值， 全球各主要国家均投入大量的人力物力来

研发超级电容器。我们认为，中国政府还没有完全认识到超级电容器所具有的重要战

略价值。我们预计，随着中国经济结构调整的深入，政府终将会发现其价值，并出台

强有力的产业扶持政策以促进该战略性产品上下游产业链的发展