超級電容作為儲能設(shè)備可以說是具有天生的優(yōu)勢，鋰電池之類的主流儲能形式都是由電能轉(zhuǎn)化學(xué)能再轉(zhuǎn)電能，存在一定的能量損失，而超級電容的充放電過程中能量自始至終為電能，充放電效率極高。由于其儲能過程無化學(xué)反應(yīng)，而且可逆，所以充放電壽命遠(yuǎn)高于一般的鋰電池。

其次，超級電容的功率密度非常高，瞬時動態(tài)特性和扭矩表現(xiàn)更好，非常適合解決大型電動車的啟動加速問題。而且在高功率表密度下，更容易做到大功率快充，只需短短十?dāng)?shù)秒到十分鐘，就可以達(dá)到額定容量的95%以上.

在安全性上，超級電容也同樣勝過鋰電池一籌。因為超級電容是物理儲能，即便在短路的情況下，也不會出現(xiàn)液體泄漏、冒煙、起火、破裂或爆炸的現(xiàn)象，而且充放電時溫升非常小，不必?fù)?dān)心過熱的情況。而且超級電容的原材料無污染，是綠色的儲能設(shè)備，可以輕易達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

那么有了這么多優(yōu)點，為何超級電容還沒有取代鋰電池呢？關(guān)鍵就在于能量密度上。儲能設(shè)備的首要任務(wù)就是“儲能”，如果不能存儲大容量的電能，那么快充、壽命這些需求都是偽命題，或者是只能用于特定的場景。

超級電容的能量密度并不高，甚至普遍低于10Wh/kg，這與動輒高于150Wh/kg的鋰電池相比，可以說是致命的劣勢。

不僅是質(zhì)量能量密度，超級電容的體積能量密度同樣低于鋰電池。也就是說同等電能容量下，超級電容所需的體積和質(zhì)量都要大于鋰電池。對于乘用車這種結(jié)構(gòu)和體積要求嚴(yán)格的產(chǎn)品來說，超級電容可以說是在第一輪就被刷了下來。

不過，這并不代表著超級電容不能在電動車市場找到一席之地，尤其是在公共交通上。


公共交通：弱化超級電容的劣勢

既然在體積上沒有優(yōu)勢，那就不妨選擇體積要求較小的公共交通市場。早在2006年，上海就投入了超級電容公交車，在上下客期間充電30秒到1分鐘就能跑上5公里。然而這種超級電容車雖然能耗低，但設(shè)備安裝和制造成本過高，并沒有廣泛推廣。

不僅如此，充電一次存儲的能量太少，尤其是在大客流和夏天開空調(diào)的大功耗下。若要兼顧里程數(shù)的話，充電時長又很難滿足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交車開兩站就停下充電的情況，司機(jī)也不想因為充電耽誤里程和時間。

為了解決這一問題，不少超級電容車開始采用超級電容+鋰電池混用的技術(shù)。超級電容負(fù)責(zé)解決充電速度、加速扭矩和制動等問題，而鋰電池則負(fù)責(zé)輔助解決續(xù)航里程問題。如果總行程距離并不長的情況下，可以只在首尾站架設(shè)充電弓。若是非得在中途充電的話，也可以在中間站架設(shè)充電功率低的充電弓，以解決充電時間問題。

2020年底，全國首條超級電容+鋰電池的有軌電車，廣州黃埔有軌電車1號線也開始正式運營。該線路采用的超級電容單體容量達(dá)到9500法拉，上下車間隙的充電時長不到30秒，作為輔助儲能的鈦酸鋰電池則負(fù)責(zé)緊急情況下的補(bǔ)償供電。


超級電容+鋰電池：黃金搭檔成為明星組合

超級電容和鋰電池的組合能夠最大限度地發(fā)揮它們各自的優(yōu)點，是新型儲能系統(tǒng)理想的解決方案。超級電容短時大功率與電池長時能量輸出結(jié)合可以以更低的投資和運營成本實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的普惠應(yīng)用。

功率型超級電容堪稱混合儲能系統(tǒng)中當(dāng)仁不讓的“閃電俠”，它具有大倍率（＞100C）、長壽命（100萬次）、環(huán)境適應(yīng)性好（-40°C~70°C）的優(yōu)點，成為了混合儲能系統(tǒng)至關(guān)重要的角色。超級電容的壽命是磷酸鐵鋰電池壽命的200倍左右，因此，對于頻繁的調(diào)頻動作，超級電容在生命周期內(nèi)的度電成本更低，是磷酸鐵鋰電池的三分之一。超級電容是純物理器件，安全性更高，響應(yīng)速度快，基本免維護(hù)，維護(hù)簡便。另外，它比飛輪儲能更加安全，經(jīng)濟(jì)性更高。而這些特征很好地符合了新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。

這樣的混合儲能系統(tǒng)可以覆蓋源網(wǎng)荷的廣泛領(lǐng)域，在源與網(wǎng)側(cè)主要體現(xiàn)在優(yōu)化新能源發(fā)電及輔助火電廠的二次調(diào)頻應(yīng)用。

新能源發(fā)電可以借助超級電容混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢來揚長避短?；旌蟽δ芟到y(tǒng)不僅可以調(diào)峰、削峰填谷，還可以平抑新能源電站的功率波動，改善電能質(zhì)量，提升新能源的消納，減少棄風(fēng)棄光；超級電容提供快速調(diào)頻和電壓穩(wěn)定，在頻率事件時可成功提供毫秒級別的“綜合慣性“，快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度，減少考核；超級電容與鋰電池配合，可以實現(xiàn)不同時間級別的功率平抑功率輸出波動，配合電網(wǎng)進(jìn)行快速一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，釋放新能源電站的備用用量，發(fā)出更多的電量；大部分短時間尺度的調(diào)頻指令由超級電容完成，減少了鋰電池儲能動作次數(shù)，減少發(fā)熱，延長了鋰電池的壽命，進(jìn)而延長了整體儲能系統(tǒng)的壽命。

另外，混合儲能系統(tǒng)在輔助火電廠AGC調(diào)頻方面優(yōu)勢明顯。一般來說，頻繁快速的調(diào)節(jié)會增加燃煤機(jī)組的磨損和發(fā)電煤耗，環(huán)保參數(shù)難以控制，還會危及機(jī)組自身及電網(wǎng)安全。當(dāng)前電源結(jié)構(gòu)仍以火電為主，優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源比較稀缺，供熱機(jī)組比重加大的同時，頻率控制難度也會相應(yīng)升高。而混合儲能系統(tǒng)能夠快速充放電并精準(zhǔn)調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)頻效果遠(yuǎn)好于常規(guī)發(fā)電機(jī)組。綜合來看，儲能系統(tǒng)的調(diào)頻效果約是水電機(jī)組的1.4倍，是天然氣機(jī)組的2.3倍，是燃煤機(jī)組的20倍以上。江蘇、山東、甘肅、廣東等相關(guān)地區(qū)針對新型儲能參與調(diào)頻已出臺相關(guān)鼓勵政策。

混合儲能系統(tǒng)輔助發(fā)電機(jī)組參與AGC調(diào)頻，利用儲能系統(tǒng)的快速、精準(zhǔn)響應(yīng)特性來彌補(bǔ)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的缺點，引入相對少量的新型儲能（容量3%左右）就能夠有效地提高電網(wǎng)調(diào)頻能力，提高火電廠的調(diào)頻綜合系數(shù)K值，從而提高調(diào)頻補(bǔ)償收益。同時，當(dāng)其成為區(qū)域內(nèi)優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源時，可在電網(wǎng)中獲得更多的調(diào)頻里程，進(jìn)一步提高了調(diào)頻補(bǔ)償收益，綜合調(diào)頻收益大大增加，投資回報率顯著提高。

混合儲能系統(tǒng)利用了超級電容的特點，同樣減少了鋰電池儲能動作次數(shù)，系統(tǒng)壽命延長，在增加生命周期的收益的同時提高了系統(tǒng)安全性，既可用于新建系統(tǒng)，也可用于原有電池儲能輔助調(diào)頻的改造。


電容儲能容量獲突破

最近，清華大學(xué)研究者在激光制造超級電容儲能器件方面取得研究進(jìn)展，提出了一種前驅(qū)體輔助超快激光加工的新方法，用于制造小尺寸、高容量的電容器件。

近日，相關(guān)論文以《通過五氯化鉬前驅(qū)體輔助超快激光碳化制造復(fù)合型超級電容器以提高電容性能》（Fabrication of Hybrid Supercapacitor by MoCl5 Precursor-Assisted Carbonization with Ultrafast Laser for Improved Capacitance Performance）為題發(fā)表在 Advanced Functional Materials 上。清華大學(xué)機(jī)械工程系博士生郭恒為該論文的第一作者，閆劍鋒副教授為論文的通訊作者。

該方法利用前驅(qū)體對超快激光的吸收增強(qiáng)效應(yīng)，同時誘導(dǎo)聚合物的碳化反應(yīng)和前驅(qū)體的氧化還原反應(yīng)，在降低激光加工閾值、提升加工精度的同時，原位加工出金屬氧化物與碳的復(fù)合材料電極。

利用該方法加工的電極材料具有多孔、親水的形貌特征，含有碳材料、金屬氧化物活性成分，制備的超級電容器同時具有雙電層儲能機(jī)制與贗電容儲能機(jī)制。

值得關(guān)注的是，在加工精度方面，激光加工線寬可小于 10μm，可按需加工出幾十微米尺度的電容器，為制造大量微電容、形成電容陣列，以實現(xiàn)更高的電壓與電流輸出奠定了良好基礎(chǔ)。

在比電容方面，器件的比電容可以達(dá)到 11.85mF/cm2，與相同條件下制備的碳化電容器相比，容量提升了 9.2 倍。