據(jù)麥姆斯咨詢介紹，超級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能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。英國知名研究機構(gòu)IDTechEx在這份最新的報告中揭示了為什么豐田（Toyota）、大眾（Volkswagen）以及中國中車（CRRC）等巨頭會將超級電容器視為一個潛在的大市場，以及汽車、巴士等領(lǐng)域的一種關(guān)鍵使能技術(shù)。而材料是影響超級電容器性能和成本的關(guān)鍵之一。

超級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能量的新型元器件。當電極與電解液接觸時，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)定和符號相反的雙層電荷，稱其為界面雙層。把雙電層超級電容看成是懸在電解質(zhì)中的兩個非活性多孔板，電壓加載到兩個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。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電容器、金屬氧化物電極超級電容器和有機聚合物電極超級電容器。

超級電容器可以實現(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，超級電容器的特點主要包括：功率密度高、循環(huán)壽命長、工作溫限寬、免維護以及綠色環(huán)保。想象一下，一輛采用超級電容器的巴士，只需要在停車場充電幾秒鐘就可以完成，而且沒有報廢處理的成本。

鋰離子電池和超級電容器對比

超級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）、麻省理工學院（MIT）、倫敦帝國理工學院（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電容器智能車身電動汽車，其儲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歷的分析師團隊，在本報告中對超級電容器及其衍生物中的先進材料進行了評估和預(yù)測。例如，關(guān)于分級電極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-超級電容器混合器件（BSH）vs法拉第準電容器的挑戰(zhàn)和機遇，能量密度增加的范圍，其它參數(shù)的權(quán)衡，以及頂尖大學教授和IDTechEx專家的深入評估。

具有自愈、形狀記憶、電致變色和光電探測功能的智能超級電容器

本報告覆蓋了超級電容器新材料和結(jié)構(gòu)形式的過去和未來，以及如何帶來更大的市場。報告中長達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)測以及當前的材料市場空白等。

IDTechEx在本報告中解釋了為什么超級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為鋰離子電池的發(fā)展速度太快，成本直線下降，使得超級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”。人們對電動汽車快速充電、加速以及仿生男女機器人的興趣日益濃厚，更凸顯了新型超級電容器的優(yōu)勢。

2020~2040年超級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，而電池很難實現(xiàn)。想象一下，如果一輛電動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！事實上，在中國，已有一些超級電容器巴士由于在使用壽命結(jié)束時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，但有幾個研究項目正在以此為目標。”

增加能量密度需要最大化有用的電極面積。這方面，新的選擇是分級型（hierarchical）或外嵌型（exohedral）電極。分級結(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，嚴謹合成可能在生產(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)。

超級電容器材料的新興選擇

本報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。了解超級電容器、BSH和法拉第準電容器的優(yōu)化、研究、待改進參數(shù)的開發(fā)方法，以實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

本報告在第3章著重討論了如何通過分級和外嵌型電極來提高純超級電容器的能量密度。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、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)中的超級電容器。第9章將此擴展到了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、進展和計劃。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年商用超級電容器使用的材料。IDTechEx在這份報告中引用了最全面的優(yōu)秀研究成果。先進材料廠商可以從本報告中看到實質(zhì)性的大量新機遇。