2023年中国储能行业系列研究-超级电容器储能

行业研究| 2023/02 储能系列 摘要 超级电容器行业综述 电容器是一种能够储存电荷的元件，其通过在两极导电物质间以介质隔离，并将电能储存其中，主要作用为电荷储存、交流滤波或旁路、切断或阻止直流电压、提供调谐及震荡等，是最主要的被动元器件之一。电容器可以分为铝电解电容、陶瓷电容、超级电容、薄膜电容以及钽电容等，其中，超级电容主要由阴阳两电极、电解质溶液、分离器以及集流器所构成，其储能原理与传统电容器类似，但相较于传统电容器具有更大的有效表面积，可使其电容量相较于传统电容提升1万倍同时保持较低的等效串联内阻和高的比功率 超级电容器具有电容量高（可达数千法拉，为同体积钽、铝电解电容器的数千倍）、循环寿命长（可达蓄电池循环寿命5-20倍）、充电时间短（几秒至几分钟即可冲满）、高功率密度及能量密度（提供1,000-2,000W/kg功率密度的同时输出1-10W·h/kg的能量密度）、工作温度范围宽(可达-40-70℃）、运行稳定可靠（具有一定抗过充能力）等优良特性，当其与高能量电池相结合时可首先高功率密度、高能量密度及长工作寿命的特征，近些年逐渐被应用于交通运输、电力系统储能及调频、工业节能、国防军事等诸多领域。 超级电容器（supercapacitor），又叫电化学电容器（electrochemical capacitor，EC）、黄金电容、法拉第电容，是一种介于电池和平板电容器之间的新型储能装置。不同于电池，超级电容器在充/放电时不发生化学反应，电能的储存或释放是通过静电场建立的物理过程，电极和电解液几乎不会老化，因此使用寿命长，并能实现快速充电和大电流放电。 2020年，超级电容约38%应用于交通运输领域、31%应用于工业领域、22%应用于新能源领域以及9%应用于其他领域，未来随着光伏、风电等清洁能源大规模并网，预计超级电容于新形电力系统、电网调频中的运用将迎来加速发展 另外，其储存电荷的能力比普通电容器高出近3～4个数量级 超级电容器储能应用场景 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 新能源汽车在启停过程中动力电池快速充放电会对电池产生损耗降低电池寿命，超级电容器可以与动力电池共同构成混合储能系统以代替动力电池进行快速充放电及收集不规则动力，从而延长电池寿命 储能式有轨列车在进站后由地面充电系统给车上储能电源充电，耗时约30秒，车辆离站后由储能电源供给车辆行驶所需电力，每次充电预期能够行驶两站路程，通过每站补给的行驶即可支持列车行驶完全部线路 名词解释 RCL元件：熔融盐储热技术是通过储能材料的显热变化来实现热能存储与释放的一种技术，即把普通的 固态无机盐加热到其熔点以上形成液态（常见的食盐氯化钠在801℃熔化），然后利用熔融盐的热循环 达到太阳能传热蓄热的目的。 压缩空气储能：压缩空气储能，是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压 缩空气推动汽轮机发电的储能方式。形式主要有，传统压缩空气储能系统、带储热装置的压缩空气储能 系统、液气压缩储能系统。 飞轮储能：飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能 方式。技术特点是高功率密度、长寿命。 镍氢电池：镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池 正极活性物质为Ni（OH）2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢 电极），电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。 镍镉电池：镍镉电池是一种直流供电电池，镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。其内部抵 制力小，既内阻很小，可快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理 想的直流供电电池。 能量密度：单位体积内的包含的能量，单位：焦耳/立方米，千焦/立方米，兆焦/立方米，量纲M(L^- 1)(T^-2)。用来衡量电池最合适，比较单位体积的电池所储存的电量。 超级电容器其储能原理与传统电容器类似，但相较于传统电容器具有更大的有效表面积，可使其电容量相较于传统电容提升1万倍同时保持较低的等效串联内阻和高的比功率。根据储能原理的不同，超级电容器可以分为双电层超级电容器、赝电容和混合型超级电容器，其中，双电层超级电容是是目前主流超级电容，混合型超级电容由于具有更高的能量密度故称为未来研究的主要方向 超级电容器具有电容量高（可达数千法拉，为同体积钽、铝电解电容器的数千倍）、循环寿命长（可达蓄电池循环寿命5-20倍）、充电时间短（几秒至几分钟即可冲满）、高功率密度及能量密度（提供1,000-2,000W/kg功率密度的同时输出1-10W·h/kg的能量密度）、工作温度范围宽(可达-40-70℃）、运行稳定可靠（具有一定抗过充能力）等优良特性，当其与高能量电池相结合时可首先高功率密度、高能量密度及长工作寿命的特征，近些年逐渐被应用于交通运输、电力系统储能及调频、工业节能、国防军事等诸多领域。2020年，超级电容约38%应用于交通运输领域、31%应用于工业领域、22%应用于新能源领域以及9%应用于其他领域，未来随着光伏、风电等清洁能源大规模并网，预计超级电容于新形电力系统、电网调频中的运用将迎来加速发展 中国超级电容行业综述——电子元器件的分类 超级电容器其储能原理与传统电容器类似，但相较于传统电容器具有更大的有效表面积，可使其电容量相较于传统电容提升1万倍同时保持较低的等效串联内阻和高的比功率 电子元器件及超级电容分类概述 电子元器件是电子元件与电子器件的总称，其中，电子元件是电子电路的基本元素，电子器件为利用与控制电子规律而制成的器件。根据对电流反应的不同，电子元器件可以分为主动电子元器件与被动电子元器件。主动电子元器件需有器件提供相应的电源，又被称为有源器件，被动电子元器件是一种只消耗元器件输入信号电能的元器件，本身不需要电源就可以进行信号处理和传输，亦被称为无源器件 被动电气元器件主要分为被动射频元器件与RCL元件，其中，RCL元件相对更加常见，约占被动电子元器件总产值的90%，被动射频及其他元器件约占10%。RCL元器件可以分为电阻、电容、电感以及其他类别，分别占RCL元器件产值的10%、67%、13%以及10% 电容器是一种能够储存电荷的元件，其通过在两极导电物质间以介质隔离，并将电能储存其中，主要作用为电荷储存、交流滤波或旁路、切断或阻止直流电压、提供调谐及震荡等，是最主要的被动元器件之一。电容器可以分为铝电解电容、陶瓷电容、超级电容、薄膜电容以及钽电容等，其中，超级电容主要由阴阳两电极、电解质溶液、分离器以及集流器所构成，其储能原理与传统电容器类似，但相较于传统电容器具有更大的有效表面积，可使其电容量相较于传统电容提升1万倍同时保持较低的等效串联内阻和高的比功率 正极材料 小容量电子设备用超级电容器 单体制造 负极材料 超级电容器运输、回收、利用 Pack组装 大容量功率型超级电容器 原材料加工 电解液 制造设备 隔膜 大容量能量型超级电容器 其他材料 中国超级电容行业综述——定义及分类 根据储能原理的不同，超级电容器可以分为双电层超级电容器、赝电容和混合型超级电容器，其中，双电层超级电容是目前主流超级电容 超级电容器的定义 超级电容器定义：超级电容器（supercapacitor），又叫电化学电容器（electrochemicalcapacitor，EC）、黄金电容、法拉第电容，是一种介于电池和平板电容器之间的新型储能装置。不同于电池，超级电容器在充/放电时不发生化学反应，电能的储存或释放是通过静电场建立的物理过程，电极和电解液几乎不会老化，因此使用寿命长，并能实现快速充电和大电流放电。另外，其储存电荷的能力比普通电容器高出近3～4个数量级，因此被称为“超级”电容器 超级电容器具有电容量高（可达数千法拉，为同体积钽、铝电解电容器的数千倍）、循环寿命长（可达蓄电池循环寿命5-20倍）、充电时间短（几秒至几分钟即可充满）、高功率密度及能量密度（提供1,000-2,000W/kg功率密度的同时输出1-10W·h/kg的能量密度）、工作温度范围宽(可达-40-70℃）、运行稳定可靠（具有一定抗过充能力）等优良特性，当其与高能量电池相结合时可体现高功率密度、高能量密度及长工作寿命的特征，近些年逐渐被应用于交通运输、电力系统储能及调频、工业节能、国防军事等诸多领域。2020年，超级电容约38%应用于交通运输领域、31%应用于工业领域、22%应用于新能源领域以及9%应用于其他领域，未来随着光伏、风电等清洁能源大规模并网，预计超级电容于新形电力系统、电网调频中的运用将迎来加速发展 超级电容器的分类 超级电容器分类：根据储能原理的不同，超级电容器可以分为双电层超级电容器、赝电容和混合型超级电容器，其中，双电层超级电容是目前主流超级电容，混合型超级电容由于具有更高的能量密度故称为未来研究的主要方向 双电层电容器 赝电容电容器 混合型超级电容器 正负极为对称结构,材料选用活性炭、碳纤维、碳纳米管、碗气凝胶、纳米结构石展等，其中活性炭使用最广 金属氧化物或导电聚合物 既有活性炭材料，也有二次电池材料 电极材料 物理储能，利用多孔炭电极/电解液界面双电层储能 电极和电解液之间有快速可逆氧化还原反应 储能机制 物理储能+化学储能 工作温度 -40℃-70℃ -20℃-65℃ -20℃-55℃ 循环寿命 >100万次 >1万次 >5万次 成本较高，技术相对不成熟，难以商业化应用 未来主要研究及产业化方向 商业化程度 目前主流超级电容器类型 中国超级电容行业综述——储能元器件对比 锂离子电池比能量相较于比能量最高的超级电容器依然保持数十倍以上的领先优势，短期内超级电容器难以在比能量方面对锂离子电池产生替代威胁 超级电容器与传统电容、锂离子电池参数对比 超级电容器性能特点 相较于锂离子电池，电容器（铝电解电容器与超级电容器）皆具有较高的充电次数、电容量、比功率、能量利用效率以及工作寿命。然而从比能量（能量密度）角度来看，锂离子电池具有绝对优势，其比能量相较于比能量最高的超级电容器依然保持数十倍以上的领先优势，短期内超级电容器难以在比能量方面对锂离子电池产生替代威胁 相较于传统铝电解电容器，超级电容器的工作温度范围相对较窄，普遍在-40℃~70℃之间，其中，混合电容器的最低工作温度约在-20℃。超级电容器的最大电压与充电次数相对铝电解电容器更低，但是电容量与比能量则领先铝电解电容器至少两个数量级以上，该性能决定了超级电容器相较于传统电容器更加适合应用于短时储能领域。超级电容器的比功率低于铝电解电容器更低但远高于锂离子电池，说明超级电容器相较于保留了电容器能够快速充放电的特性，能够在微电网、新能源并网等领域对电力波动及时响应，对峰值功率进行调频，向电网系统维持稳定的功率输出 中国超级电容行业综述——全球及中国新型储能概述 超级电容储能装机为0.01GW，目前依然处于项目示范阶段，预计未来会与众多储能形式（尤其是锂离子电池）组成混合储能系统，拉动装机规模的增长 全球及中国新型储能概述 全球及中国新型储能累计装机规模，2017-2021年全球新增投运新型储能项目地区分布，2021年 近年来，由于能源价格飙升、全球气候变暖等因素，全球主要国家皆积极推动新能源装机，而新能源发电的不稳定性使得储能成为各国在推进碳中和过程中的必备环节之一。截至2021年底，全球新型储能装机规模达25.4GW，同比增长68.2%，其中，中国占比为22.4%，同比增长72.7%，高于全球平均增速。在新增投运新型储能领域，美国占比最高，达34%，中国、欧洲、日韩其次，说明全球当前新型储能装机依然以发达国家为主，鉴于中国贡献了全球最多的新增新