據(jù)麥姆斯咨詢介紹，超級(jí)電容器是指介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時(shí)又具有電池的儲(chǔ)能特性。英國知名研究機(jī)構(gòu)IDTechEx在這份最新的報(bào)告中揭示了為什么豐田（Toyota）、大眾（Volkswagen）以及中國中車（CRRC）等巨頭會(huì)將超級(jí)電容器視為一個(gè)潛在的大市場，以及汽車、巴士等領(lǐng)域的一種關(guān)鍵使能技術(shù)。而材料是影響超級(jí)電容器性能和成本的關(guān)鍵之一。

超級(jí)電容器是通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來存儲(chǔ)能量的新型元器件。當(dāng)電極與電解液接觸時(shí)，由于庫侖力、分子間力及原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定和符號(hào)相反的雙層電荷，稱其為界面雙層。把雙電層超級(jí)電容看成是懸在電解質(zhì)中的兩個(gè)非活性多孔板，電壓加載到兩個(gè)板上。加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。雙電層電容器根據(jù)電極材料的不同，可以分為碳電極雙層超級(jí)電容器、金屬氧化物電極超級(jí)電容器和有機(jī)聚合物電極超級(jí)電容器。

超級(jí)電容器可以實(shí)現(xiàn)可拉伸的結(jié)構(gòu)形式，而這是電池很難做到的。與蓄電池和傳統(tǒng)物理電容器相比，超級(jí)電容器的特點(diǎn)主要包括：功率密度高、循環(huán)壽命長、工作溫限寬、免維護(hù)以及綠色環(huán)保。想象一下，一輛采用超級(jí)電容器的巴士，只需要在停車場充電幾秒鐘就可以完成，而且沒有報(bào)廢處理的成本。

鋰離子電池和超級(jí)電容器對比

超級(jí)電容器的材料研究從椰子殼、杏仁殼、麥子等多種材料，轉(zhuǎn)到與石墨烯和碳納米管復(fù)合材料相匹配的固體離子凝膠等。這將使超級(jí)電容器的壽命超過目前鋰離子電池的三倍，甚至更多。蘭博基尼（Lamborghini）、吉利（Geely）、麻省理工學(xué)院（MIT）、倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）以及日本某電子巨頭，優(yōu)化、整合這類新材料打造的超級(jí)電容器智能車身電動(dòng)汽車，其儲(chǔ)能裝置將不再需要考慮重量和空間。通過添加無毒的柔性可拉伸的醫(yī)用植入物和貼片，利用超級(jí)電容器原料可切割成所需要的各種形狀。

IDTechEx憑借多語種和博士學(xué)歷的分析師團(tuán)隊(duì)，在本報(bào)告中對超級(jí)電容器及其衍生物中的先進(jìn)材料進(jìn)行了評(píng)估和預(yù)測。例如，關(guān)于分級(jí)電極vs外嵌型電極、石墨烯vs碳納米管vs金屬氧化物骨架（MOF）電極的對比分析等；了解電池-超級(jí)電容器混合器件（BSH）vs法拉第準(zhǔn)電容器的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，能量密度增加的范圍，其它參數(shù)的權(quán)衡，以及頂尖大學(xué)教授和IDTechEx專家的深入評(píng)估。

具有自愈、形狀記憶、電致變色和光電探測功能的智能超級(jí)電容器

本報(bào)告覆蓋了超級(jí)電容器新材料和結(jié)構(gòu)形式的過去和未來，以及如何帶來更大的市場。報(bào)告中長達(dá)19頁的摘要和結(jié)論部分，就足以滿足那些急于了解該行業(yè)的人，提供了關(guān)于超級(jí)電容器新材料的信息圖表、技術(shù)對比分析、具有商業(yè)意義的研究摘要、20年技術(shù)路線圖、市場預(yù)測以及當(dāng)前的材料市場空白等。

IDTechEx在本報(bào)告中解釋了為什么超級(jí)電容器及其變體仍然沒有規(guī)模起量。這在很大程度上是因?yàn)殇囯x子電池的發(fā)展速度太快，成本直線下降，使得超級(jí)電容器仍然僅是一種具有最佳可靠性、最長壽命和最快充放電的利基應(yīng)用。不過，這也顯現(xiàn)了全新的材料和結(jié)構(gòu)形式帶來的改變，吸引了更多的科研人員和全球巨頭的投入。很快，超級(jí)電容器將在更多的應(yīng)用領(lǐng)域與電池正面競爭，而且還將涉及可食用和紡織物等形式，“重新定義戰(zhàn)場”。人們對電動(dòng)汽車快速充電、加速以及仿生男女機(jī)器人的興趣日益濃厚，更凸顯了新型超級(jí)電容器的優(yōu)勢。

2020~2040年超級(jí)電容器活性電極材料市場預(yù)測

IDTechEx首席執(zhí)行官Raghu Das表示，“超級(jí)電容器將具有可拉伸、生物相容和生物降解等物理性能，而電池很難實(shí)現(xiàn)。想象一下，如果一輛電動(dòng)大巴在停車場停留的片刻，幾秒鐘內(nèi)就可以完成充電得有多棒！事實(shí)上，在中國，已有一些超級(jí)電容器巴士由于在使用壽命結(jié)束時(shí)沒有回收或再利用問題（沒有貴重材料和有毒物質(zhì)）而得到推廣。盡管它們現(xiàn)在還沒有足夠長的續(xù)航里程而獲得主流應(yīng)用，但有幾個(gè)研究項(xiàng)目正在以此為目標(biāo)。”

增加能量密度需要最大化有用的電極面積。這方面，新的選擇是分級(jí)型（hierarchical）或外嵌型（exohedral）電極。分級(jí)結(jié)構(gòu)含有不同尺寸的孔（從微孔到大孔），很多孔結(jié)構(gòu)相互連接并以分級(jí)的形式組裝起來。這些電極材料目前是由椰子、瓜皮、木材、松針或魚鱗熱解制成，以實(shí)現(xiàn)成本效益方面的權(quán)衡。

外嵌型是指具有大比表面材料的微觀陣列，特別是碳同素異形體（如石墨烯和碳納米管），以及最近研究的其它二維材料（如MOF）。對于這兩種類型，嚴(yán)謹(jǐn)合成可能在生產(chǎn)中過于昂貴。碳化物中的碳也可能產(chǎn)生混合物和雜質(zhì)。

超級(jí)電容器材料的新興選擇

本報(bào)告在引言部分解釋了成本和重量、功率密度和頻率的權(quán)衡，以增加能量密度。了解超級(jí)電容器、BSH和法拉第準(zhǔn)電容器的優(yōu)化、研究、待改進(jìn)參數(shù)的開發(fā)方法，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

本報(bào)告在第3章著重討論了如何通過分級(jí)和外嵌型電極來提高純超級(jí)電容器的能量密度。第4章詳釋了改善功率密度的商業(yè)影響。第5章解釋了對自漏電改善的強(qiáng)烈期望，在這方面投入了大量研究。第6章深入研究了法拉第準(zhǔn)電容器。

第7章探討了在上述所有選擇中至關(guān)重要的超級(jí)電容器電解液，用大量圖表比較了參數(shù)和配方、溶劑溶質(zhì)vs離子、水性vs非水性、毒理學(xué)、應(yīng)用趨勢等。第8章介紹了石墨烯在復(fù)合材料多種變體中的應(yīng)用，其形態(tài)和純度，包括一些生產(chǎn)中的超級(jí)電容器。第9章將此擴(kuò)展到了MOF及其它二維材料。第10章對碳納米管也做了同樣的研究，包括原因、進(jìn)展和計(jì)劃。還介紹了碳納米纖維（CNF）、氣凝膠和水凝膠，它們通常優(yōu)先考慮承載、柔性和其它結(jié)構(gòu)形式，而不是能量密度。

第11章主要聚焦了超級(jí)電容器車輛車體、輪胎和線纜。第12章介紹了柔性、透明、耐磨、可拉伸、紙質(zhì)和微尺寸的材料。附錄給出了2010~2020年商用超級(jí)電容器使用的材料。IDTechEx在這份報(bào)告中引用了最全面的優(yōu)秀研究成果。先進(jìn)材料廠商可以從本報(bào)告中看到實(shí)質(zhì)性的大量新機(jī)遇。