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超级电容成大有可为 变革行业前景可期

北极星储能网  来源:乐晴智库精选    2020/2/26 13:10:43  我要投稿  

北极星储能网讯:据报道,总部位于法国普罗旺斯的下一代储能系统制造商NAWATechnologies完成最新一轮1300万欧元的融资,新融资将推进其大规模生产下一代超级电容电池。

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NAWATechnologies公司开发出一种能源解决方案,它可以多储存100倍的电能,比传统电池节省150倍的成本,并将电池废料对环境的影响降低了5倍。

NawaTechnologies官方表示,该电池系统能够在短短数秒中完成充电,同时由于没有发生化学反应,其使用寿命非常长,充电周期可以高达100万次。

充电时间长、续航里程短是制约电动汽车进一步发展的两大难题。下一代超级电容电池的出现,将完美解决这个问题。NAWATechnologies表示,其超级电容电池将取代锂离子电池系统,应用市场包括混合动力汽车、纯电动汽车(BEVs)和燃料电池汽车(FCEVs)等,极大地提高能源效率。业内人士称,NAWA公司的“超高速碳”电池和应用纳米技术正在颠覆能源行业,目前其性能无人能及。

另外,日前特斯拉与宁德时代就无钴电池进行合作谈判,特斯拉收购Maxwell,自主研发电池采用干电级+超级电容路线,平抑电动车相较油车的顿挫感。预计特斯拉即将在4月20日电池日上宣布“无钴”电池,大概率为Maxwell生产的采用新型高镍正极+预锂化负极+干电池技术+超级电容的新型锂离子电池以及采用CTP技术的超级磷酸铁锂电池两款产品。超级电容器+电池系统有望提升快冲性能,预计未来有望逐步渗透成为趋势。

超级电容,又名电化学电容,双电层电容器、黄金电容、法拉电容,是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。

由于超级电容具有瞬时高功率、快速充放电、循环寿命长等特点超级电容被广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等场景,在新能源汽车、轨道交通、工业控制、风力光伏发电和军工领域前景广阔。从市场规模角度,交通运输、工业、新能源领域分别占比38%、30%、21%,交通仍然是最大的应用领域。

根据中国科学院电工研究所数据,18年全球超级电容市场规模300亿美元,预计2025年可以达到一千亿美元的市场规模。国内有望在2025年达到400亿的规模,有轨电车、城市公交、AGV、风能、光伏发电领域都有比较快的增长。

从构成看,超级电容器主要由电极、电解液、隔膜、引线等辅助材料组成,其中电极、电解液和隔膜材料(特别是电极材料)对超级电容器的性能起着决定性的影响,也基本决定最终产品的类型与特性。电极、电解液和隔膜的先后顺序是对三者技术难度的排序,目前电极技术壁垒最高,电解液次之,隔膜相对容易(竞争较为激烈)。

超级电容器是介于传统电容器与电池之间的新型储能器件,与传统电容器和电池相比均具有明显优势:1)其容量在0.1~6000F之间,比同体积的传统电容器容量大2000~6000倍;2)具有更高的功率密度,可达300~5000W/kg,是传统电池的5~10倍;3)超级电容器的充电效率比较高,且充电时不会对电极材料结构造成影响,叠加长时间的放置不会降低电容器电压,因此循环寿命较长,可达105次以上;4)超级电容器免维护、环境友好、更换成本较低。这些特点使得其在新能源汽车,能源管理系统和电子器件能源系统中具有广阔的市场空间。

“十三五”期间,推动我国超级电容器行业的发展的主要动力仍然在于政策,新能源汽车、风电、交通轨道、电力、军工等超级电容应用领域都是国家“十三五”期间政策重点扶持对象。根据智研咨询预测,2019~2020年超级电容器市场年均复合增速将维持在30%左右,到2020年规模有望达到150亿元。

超级电容在消费电子市场正在部分替代传统锂电池。便携设备、小功率电器、智能手表等多采用较小尺寸的超级电容器,应用较为成熟。三星在2018年发布了GalaxyNote9,在这款产品中,三星用超级电容替代了传统的锂电池,并引入无线充电技术,在SPen插回手机时能够自动充电。在实际中,三星Note9的SPen可以在40s内充满电,使用时间达到40分钟,同时频繁的充放电对超级电容寿命影响很小。

在电力领域,超级电容器主要用在风能、太阳能发电等。一方面,超级电容可以作为风电变桨系统的后备电源,在电力供应停止的时候把桨叶的方向转到安全位置,以保证电动变桨系统可靠安全地运行。新型的电网需求正在增长。

虽然传统电网架构承担了电网的大部分职能,但是电网形式的演变正在促使 电力 部门采用电池和超级电容器的组合系统作为辅助技术,满足各种类型的电网需求。在杜克能源为美国北卡莱罗纳州Gaston的配电变电站装配的新一代电网储能系统中,便采用了Maxwell超级电容器与电池的组合储能系统。

随着5G技术日趋成熟和商用临近,我国物联网连接数预计将迎来高速增长,超级电容可以用在智能四表中给时钟芯片和断电保护提供电源。作为基于授权频段的低功耗广域网蜂窝物联网技术,NB-loT适合室内四表、地下管网等应用,而这正是智慧城市的重要场景。

超电行业处于起步阶段,市场规模不断扩大。国外超级电容厂商技术领先,国内起步较晚。由于成本高,技术难度大及工艺要求高等原因,超级电容行业目前尚未到达产业成熟期,厂商数量相对较少,全球市场规模仅在百亿美元量级,中国市场规模仅在十亿美元量级。

超级电容市场参与者以国外企业为主,美日欧厂商产业化较早,技术全面领先,占据大部分超级电容市场,建立了一定的技术壁垒。

超级电容市场国外厂商主要参与者有:Maxwell(美国)-全球最大的超级电容器厂商,被特斯拉收购;ELNA(日本)-日本主要的超级电容制造商;VinaTechnology(韩国)-在1-1000F圆柱形电容器领域拥有全球最大的生产能力;ECOND(俄罗斯)-在超级电容器领域有超过20年的研究历史,产品以大功率超级电容为主。

超级电容器通过使电解液极化来静电储存能量。虽然是电化学装置,但其储能机理中不涉及化学反应。这一机制是高度可逆的,允许超级电容器被充放电数十万甚至数百万次。Maxwell的超级电容产品正负极均为活性碳电极,在工作时,活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量。

2019年5月,特斯拉以55%的溢价耗资2.18亿美元收购了超级电容和电池制造公司Maxwell,该公司主要从事生产和销售超级电容器、高压电容器,并专注于研发干电池电极,拥有多项电池制造方面的技术和专利;同年10月,特斯拉收购了加拿大电池制造公司Hibar Systems,并在弗里蒙特工厂建立了第一条试点电池产线。

同年12月,特斯拉申请了一项电池技术的专利。专利显示,通过使用新型化学材料,可以获得容量更大、寿命更长而且成本更低的电池,其性能将远远超过目前广泛应用于电动汽车与其他能源储存应用领域的锂离子电池。

马斯克认为Maxwell拥有大量技术,收购Maxwell是一个“大交易”,并且可能对其业务产生“巨大影响”。尤其是马斯克认为Maxwell的干电极技术将可能对电芯技术的发展带来巨大影响。

锂电池+超级电容提升性能现有新能源动力电池具有局限性,在车辆经历反复性启动和停止过程后,会影响动力电池的循环效率。而用超级电容与电池并联的方式,可以提高循环效率,有利于提高新能源汽车在低温启动的能力,从超级电容对动力电池进行涓流充电可以提高动力电池的寿命,为超级电容在新能源汽车动力上的应用提供了更多的可能性,超级电容可作为启停、能量回收、加速和充电的倍率电源,又由于能力密度过低,不适合作为主动力电源。

对于超级电容目前还不具备成为独立汽车动力源的条件,对于超级电容的使用,有可能会和锂电池搭配,形成“混合动力”。超级电容将作为启停瞬时功率较大、温度条件较差时的主供电源,而在正常运行工况下,由锂电池提供能量。

电池与超级电容器组成“混合动力”系统,将打造极优质动力源。超级电容有望用于Semitruck、Cybertruck以及特斯拉储能业务部分。特斯拉纯电动皮卡Cybertruck、即将投产的纯电动半挂SemiTruck等车型,对瞬时充放电的功率提出了更高的要求。此外,特斯拉的PowerPack储能装置等产品,也对瞬时大功率充放电有着很高的要求,超级电容器功率大,有望使用在特斯拉的这几类产品中。

国内超级电容产业起步较晚,80年代才开始超级电容的研究工作,而海外领先企业80年代已开始大规模商业化。国内新宙邦电容器化学品业务处于全球龙头地位,市占率超过50%。其中超级电容器电解液和溶质国内领先,Maxwell是公司电容器业务主要客户,随着超级电容在新能源汽车的渗透率提升,将显著受益。

国内厂商技术成熟度相对较低,目前国内超级电容厂商主要有锦州凯美能源、北京集星联合电子、深圳今朝时代、上海奥威、江海股份等。锦州凯美能源是国内最大的超级电容器制造商;北京合众汇能2007年由清华大学纳米碳材料核心团队创立,国内超级电容电极材料领先企业,唯一一家在国家电网连续运行时间超过10年的超级电容厂商;上海奥威科技是国内公交车用超级电容龙头;江海股份是铝电解电容龙头,近年发展了超级电容业务,锂电子超级电容技术性能达到国际先进水平。

随着补贴“退坡”的影响减弱,国产技术不断得到突破,超级电容或将在特斯拉的带动之下再次乘上风口,未来市场规模有望获得迅猛发展。


原标题:超级电容成大有可为,变革行业前景可期

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