轻轻触碰就能为手机充足电，等待一个红绿灯的时间就能让电动车能量满满，这些带有未来科技便捷感的场景其实离我们并不遥远，奥秘就是它们所搭载的“超级电容器”。有人预言，它将引领下一代电池革命。
2022年，全球超级电容器市场规模将突破615亿美元，而在山西，超级电容器产业也正酝酿着巨大的发展机遇，循环寿命达100万次以上的最新一代石墨烯超级电容器已经中试成功。那么，超级电容器是什么，拥有怎样的优势，会给人们生活带来何种改变，山西如何在这条赛道上跑出加速度？我们来一探究竟——
能量加倍 安全性高
超级电容器可更快速充放电且拥有更长寿命
在上海，一辆电动公交车停站间隙只要一分钟便能充满电，续航里程可达10到15公里。在广州，一辆有轨电车在乘客上下车间隙，就已自动完成充电，用时不到30秒，还能回收制动能量，确保车辆全程不间断运行。让这些场景变成现实的奥秘，就是它们搭载的超级电容器。
中科院山西煤化所的中试车间内，年产300万法拉的超级电容器正在生产。细节决定成败，制浆是第一道生产工序，从配比到加料顺序再到混料时间，每一个环节的微小误差，都可能造成整批产品不达标。15道工艺流程，上百个关键控制参数，每一个技术员都练就了“眼睛就是尺”的绝技。经过浆料制备、极片成型、卷绕封装、性能测试等工序，不同规格的超级电容器如期下线。
“从材料、器件到工艺流程都是我们自主研发设计的，这批货马上要发给电网企业挂机测试，目前年产百万法拉的中试线已经不能满足客户的需求了。”中科院山西煤化所副研究员苏方远介绍。
那么，究竟什么是超级电容器？为什么称它为“超级”？中科院山西煤化所超级电容器项目负责人王振兵左手拿一个普通电容器，右手拿一个蓝色的超级电容器说：“这两个同样体积和重量的电容器，超级电容器储存的能量是普通电容器的10万倍。此外，超级电容器安全性很高，比如在遇到碰撞、挤压，还有极端的穿击测试时，它都不会爆炸和起火。它还具有非常好的耐候性，在零下40摄氏度时使用，性能不受影响。”
中国超级电容产业联盟副理事长、中科院山西煤化所研究员陈成猛认为：“超级电容器典型的特点是具有更高功率密度，这决定了它可以更快速充放电，仅需几十秒至一分钟。它的循环寿命也很长，例如把它装在新能源汽车上，10年后这个车报废了，但超级电容器拆下来，装在其他新能源汽车上还能使用。”
性能优越 规模应用
超级电容器产业发展受到高度重视
电容器就是储存电荷的容器，人类历史上最早储存电荷容器的装置叫莱顿瓶。1745年荷兰莱顿大学物理老师马森布洛克发明了一个结构简单的玻璃瓶，它的外层与内壁都包了一层金属箔，两层金属箔之间加一层绝缘体就形成了一个电容器，可以储存电荷。有了这个装置以后，人们就把摩擦产生的电荷存起来，进行研究，为之后电气时代的到来奠定了基础。
“以前超级电容器刚发明的时候，没有什么应用场景，如今在‘双碳’背景下，电动汽车、物联网、智能电网等都呼唤更好的储能设备，特别是超级电容器这种高频、长寿命、免维护、高功率储能器件。”陈成猛讲解超级电容器的应用场景后，又描述了它的优越性能，“超级电容器不涉及能量转换，它直接把电荷通过物理方式储存到界面上，可以做到10万次到100万次充放电后性能不发生明显衰减。而锂离子电池等普通的电池类器件，因为内部涉及一些能量转换，所以每一次循环可能都会有一些损失。”
据了解，超级电容器和普通电池之间存在互补关系：能量密度方面，普通电池更胜一筹，而超级电容器是短板；在功率密度方面，普通电池有不足之处，但超级电容器从循环寿命、安全性、耐候性来看是长处。所以在很多应用场景下，普通电池和超级电容器会被组成混合模组，比如说电动汽车需要加速，或者在下坡的时候，自动能量回收由超级电容器来工作，当在平稳区域续航状态下的时候，用普通电池作为驱动的电源，它们之间可以良好匹配。
目前，世界上许多国家都在积极开展超级电容器相关的研究开发工作，随着我国对新能源产业政策扶持力度的加大，超级电容器产业的发展近年来也受到了高度重视。
值得关注的是，中国生产厂商技术的完善和规模化效应逐渐体现，让越来越多国产超级电容器走向规模化应用。陈成猛认为：“中国是一个比较大的市场，应用的需求牵引力比较强，在这种带动下，国内涌现出的一系列超级电容器骨干企业，逐步从二线转入一线，目前中国应该是和国际处于并跑状态，相信未来我们有能力可以逐步实现领跑。”
协同创新 技术突破
促进超级电容器产业高质量发展
“超级电容器里电极材料90%以上都是碳材料，在碳材料领域的研究方面，山西煤化所很有权威，而且目前已经具备了产业化能力，我们希望通过材料器件协同创新，能够突破超级电容器的关键技术，促进整个产业的高质量发展。”王振兵说出研究超级电容器的优势所在。
料要成材，材要成器，器要好用。中科院山西煤化所的超级电容器项目，就是沿着这样的路径走过来的，从料到材再到器，石墨烯基超级电容器不仅实现了好用，而且已经在电网企业挂机测试。
超级电容器具有长寿命、免维护、大电流输出能力强等优点，更换超级电容器后的配电自动化终端维护成本低，电网自愈可靠性更高。电网企业为什么选择中科院山西煤化所的超级电容器？广州南方电力集团科技发展有限公司总裁黎炼这样说：“我们曾专门到山西对陈成猛团队的科研成果进行过参观学习，觉得他的成果具有广泛的推广应用价值，除了在计量自动化、配网自动化、智能电网上应用，替代原来的电池，实现免维护，还可以应用在新型电力系统、汽车、轮船上等。”
“目前，我们与南方电网的企业合作开发的几款电源中，在配电终端电力监测用超级电容器电源这一块，仅广州地区目前存量市场大概是一亿元，而且每年会以16%的速率增长，整个南网地区市场规模大概在十几亿元以上。我们接下来规划建立一条自动化程度比较高的超级电容器生产线，把超级电容器这块蛋糕做大。”王振兵信心满满。
山西发展超级电容器产业要怎么做？陈成猛认为：“从整个全产业链角度，要构建一个闭环的生态。中科院山西煤化所和美锦能源合作开发的生物制剂电容炭，已经在清徐落地转化了，依托这个自主可控的材料，下一步再把超级电容器规模化生产，能够在山西落地，进一步延链、补链、强链。这样，我们有了核心材料、超级电容器和核心用户，在一个好的生态内，就可以实现良性、健康、高质量发展。”
本栏目内容源自山西卫视“全方位推动高质量发展透视”
本报记者杜鹃
