超級電容應用在儲能上的發展現況

為期三天的第五屆中國(上海)國際超級電容器產業展覽會(CSCF2014)就在最近2014年8月28日落幕。超過30個國家和地區的500多家企業參與了此次亞洲最大的超級電容器展會,而超級電容器應用於電動車的發展成為此次展覽會的最大議題。超級電容器(Supercapacitors或ultracapacitor)是一種電化學電容器(Electrochemical Capacitors),經由電解質的極化來儲能,主要機制是在電極表面產生雙電層(electrical Double-Layer)和氧化還原之擬電容( pseudo-capacitive)電荷儲存電能。在其儲能的過程中並不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,因此超級電容可以反復充放電數十萬次,具有快速充放電的的特性及相當長的壽命。

超級電容目前主要應用包括電腦、手機、數位助理器(PDA)、計算機、USB、資料記錄儀、汽車電子、儀表、醫療設備、保安設備和報警系統。其他較大功率突發的應用如相機中的發光二極體(LED)背光源閃光燈、整體封包無線電服務(GPRS)、全球行動通訊系統(GSM)收發器、汽車馬達驅動、以及可攜式設備中的硬碟機(HDD)等。對於大功率的應用則在於輔助峰值功率、備用電源、再生能源存儲、替代電源等。在2005年福島海嘯之後,不斷電系統的需求成為超級電容的重要發展方向之一,也是目前發展智慧電網電能儲能整合的主要產品。美國能源局的估算,超級電容的市場容量從2007年到2013年由40億美元成長到120億美元。而據最新市場研究報告《按材料、產品、應用和地域劃分的超級電容器市場2013至2020年分析與預測》稱,全球超級電容市場在2014年至2020年將以複合年增長率 (CAGR) 26.93%的速度發展,而一旦電動汽車與智慧電網等應用進一步發展時,超級電容的市場將發展更為快速。

不過目前的超級電容仍因為儲存的能量密度不及鋰電池,限制了超級電容的應用領域。因此提升超級電容的儲存能量密度是目前研究的主要方向。除了金屬氧化物之擬電容以及電解質的持續研究開發之外,目前研究最熱烈的主題是石墨烯(graphene)應用於超級電容。最新技術是使用單層或數層之石墨烯薄膜製備成電極,利用石墨烯的超高比表面積以及表面電性,並保持電極的多孔性特徵,可以大幅提高能量密度。以目前研究成果而言,有望提升能量密度甚至達到10倍以上,將可以大幅提升目前超級電容性能不足的情形。在產業的發展上,目前主要是朝向超級電容與鋰電池結合,形成互補,以推動新能源電動汽車的發展。雖然鋰電池仍是目前大電能的主流產品,但是以特性與技術上而言,超級電容與鋰電池各有其性能特點,將鋰電池與超級電容組合的超級電池技術將成為市場主流與研究的方向。

作者介紹

胡毅
胡毅為大同大學材料工程學系教授,系主任與所長 專長:電子陶瓷、固態化學與奈米製程等。目前以超級電容、巨介電電容與氧化物半導體等為研究主題。