超级电容产业化研究与应用综述

摘 要 我国能源结构转型背景下，新型电力系统对储能器件“快速响应-高频调节-本质安全”的需求日益凸显，超级电容作为典型功率型储能器件，因高功率密度、长循环寿命、宽温域工作能力及无枝晶生长导致的安全隐患等优势，逐渐受到广泛关注。本文系统综述其技术体系与应用进展。在单体研发方面，从双电层超级电容和混合型超级电容两类型出发，分析其典型现有技术路线与产品性能。在集成应用方面，论述超级电容在风机变桨系统、新能源配储、火储联合调频、独立储能、交通等领域的应用，并简述了如吊机等动力机械动能回收、数据中心后备电源、电力设备等其他场景的应用情况。最后，分析超级电容目前在能量密度、全寿命周期成本、应用场景等方面存在的瓶颈，判断未来研究重点将集中在开发新型材料体系、推动应用场景多元化以及“超级电容+”混合储能模式创新等三方面，需要通过体系与场景创新，以差异化的产品支撑超级电容在新型电力系统建设中更广泛的商业化应用。

关键词 超级电容；新型电力系统；储能系统；发展趋势

随着我国能源结构转型，新型电力系统对储能器件的“快速响应-高频调节-本质安全”需求日益凸显。超级电容作为典型的功率型储能器件，因其功率密度较高、循环寿命长、宽温域工作能力等优点，正日益受到人们更多的关注，成为风电变桨后备电源、电源侧辅助调频、电网侧辅助调频、数据中心瞬时备电等多种不同场景的优选方案。

本文从超级电容技术体系出发，系统梳理了其研发与产业化进展、应用场景及典型模式，同时对超级电容的现存不足与发展方向展开深入分析，以期推动新型超级电容在新型电力系统建设进程中实现更广泛的商业化应用。

1 超级电容概述

超级电容(super capacitor)是一种电化学储能器件，介于普通电容器和蓄电池之间，通过在电极材料表面吸附离子或发生快速氧化还原反应来储存电能的新型储能器件。其至少有一个电极主要是通过电极/电解液界面形成的双电层电容或电极表面快速氧化还原反应形成的赝电容实现储能，在恒流充电或放电过程中的时间与电压的关系曲线通常近似于线性，没有锂离子电池放电通常所具有的平台区。

虽然超级电容能量密度只有5～30 Wh/kg，但是其在功率特性、循环寿命及环境适应性方面展现出了独特技术优势。超级电容的核心优势体现在超高功率密度与快速响应特性，且循环寿命可突破百万次。这种高功率脉冲输出能力使其在短时间大功率需求场景中具备不可替代性。同时，超级电容工作温度范围可扩展至-40～80℃，有效解决了锂离子电池在低温条件下的容量衰减问题，且基于离子吸附/脱附机制，也避免了电化学电池枝晶生长风险，从根本上消除了内部短路及热失控等安全隐患。

超级电容可根据电极、原理、电解质、功率密度分类，如图1所示。在超级电容研发中，一般通过原理将超级电容分为双电层超级电容和混合型超级电容。

图1   超级电容分类

2 超级电容单体研发进展

2.1 双电层超级电容

双电层超级电容(electric double-layer super capacitor, EDLC)是采用高比表面积材料作为电极主要材料，通过极化电解液形成双电层来储能的一类超级电容，无法拉第反应，在恒流充放电过程中其电压与时间的关系曲线近似于线性，最低可放电至0 V。其在储能原理上是高度可逆的，因此充放电寿命可达100万次以上，日历寿命可达15年以上，且可在大电流下实现快速充放电，其原理如图2所示。

图2   双电层超级电容器组成部件示意图

目前，对双电层超级电容的研究主要聚焦在电极材料、电解液及电极工艺等方面，例如活性碳材料的纳米孔道调控、石墨烯基复合材料的界面工程、离子液体电解液的低温离子传导机制；干法电极工艺、无溶剂制备技术的发展，则为规模化生产提供了绿色高效路径。但是，在高压工况下的界面稳定性问题、电解液体系稳定性及适配性等问题依旧存在。

双电层超级电容具有功率大、寿命长、能量小的特征，在功率特性方面通常用于大电流场合，时长往往处于10~15 s级别。但是由于能量密度(3~10 Wh/kg)限制，往往用于风机变桨、脉冲电源等小型场景；用于储能的双电层电容器系统将呈现占地面积大、成本高等不利特征，需要结合场景合理搭配使用。近年来，在山西等电力市场建设较为前沿的地区，也逐步出现了以双电层超级电容为主体的百兆瓦级电网侧独立储能电站，其主要盈利来自调频辅助服务。目前已实现产业化应用的双电层超级电容器电极材料以活性炭(AC)为主，其主要参数如表1所示。

表1   已实现产业化应用的双电层超级电容器主要参数

2.2 混合型超级电容

混合型超级电容(hybrid super capacitor)是一极双电层、另一极非完全双电层的不对称型超级电容。电池型超级电容(battery-type super capacitor)是正、负极均为非完全双电层的超级电容。由于是否完全双电层电极难以界定，且均是通过提升电极材料容量和拓宽电压窗口来进一步提升能量密度，因此一般将混合型超级电容和电池型超级电容统称为“混合型超级电容”。同时，现有混合型超级电容大多借鉴了锂离子电池的材料体系，因此也被称为“锂离子超级电容”。

从广义上讲，混合型超级电容可以进一步分为内串型和内并型。内串型器件是指器件内部其中一极为锂离子脱嵌电极，另一极为电容电极。如正极为活性炭，负极为Li4Ti5O12或石墨等。严格意义上的混合型超级电容就是指这两种体系，即AC/预嵌锂和AC/Li4Ti5O12。内并型器件则是将混合型超级电容改进为在锂离子电池正极或者负极中混入活性炭，可认为是双电层电容(AC/AC)或内串型锂离子电容器与锂离子电池的内部并联。内并型器件由于更直观地体现了电池和电容的结合，因此业内所说的电池电容也通常是指此类器件。目前已实现产业化应用的混合型超级电容器技术路线较为多样，与EDLC相比主要优势在于更高的能量密度，且仍然具备极高的功率密度，其主要参数如表2所示。

表2   已实现产业化应用的混合型超级电容器主要参数

3 超级电容集成应用进展

超级电容作为典型的储能单体器件，电芯单独使用的场景较为受限，需要集成为模块、簇、预制舱等大型单元后，搭配电容管理系统等附属配件方可使用。其集成应用场景多样，包括风机变桨系统、电力系统、交通与其他场景等。

3.1 风机变桨系统

变桨系统作为风电机组的核心部件之一，如图3所示，其与变频控制系统相结合，可以有效提高风力发电机组的发电效率和电能质量。传统后备电源通常采用的是铅酸电池系统，但是存在充放电特性一般、倍率性能较差、低温性能不足、循环寿命较短、维护成本偏高等问题。超级电容作为一种新型储能器件，可以解决铅酸电池存在的问题，并可实现全生命周期免维护，有助于提高风电机组安全性和运行效率、降低运维成本。

图3   风机变桨系统示意图

超级电容在风机变桨系统中的应用可分为如下几个阶段：2003—2005年，双电层超级电容逐步成熟、生产成本下降，开始进入工业领域试点运行；2005—2008年，全球主流风机制造商在新型风机设计中引入电动变桨系统，并测试双电层超级电容作为后备电源的可行性；2010年后，随着海上风电和低风速地区开发的加速，双电层超级电容的优势被广泛认可，逐步成为变桨系统后备电源的主流选择。

近年来，风电机组逐步迈向大型化，叶片长度变长，变桨所需要的能量也随之加大。双电层超级电容产品因能量密度瓶颈，造成变桨系统体积增大、成本升高、维护性变差，越发难以适应在超大型风电机组上的应用。混合型超级电容可在兼顾倍率特性的同时，更大幅度提升能量密度，因此已逐步在新型海上风电项目中开展应用测试，有望未来为超大型风电机组提供全新的变桨系统后备电源解决方案。

3.2 电力系统

在“双碳”目标指引下，新型电力系统发展迅速、能源结构日趋复杂，新能源发电占比、直流输电容量显著增加，带来了愈加频繁的负荷随机波动性，也进一步加剧了电网频率波动。在发电侧，以风电、光伏为代表的可再生能源发电机组出力存在着严重的间歇性、波动性和随机性等问题，给电力系统在安全可靠性、灵活性等多方面带来更多的风险。具有典型功率型储能特征的超级电容，其具有的高功率、长寿命、高安全，能精准满足新型电力系统在发电侧、电网侧对短时、高功率峰值脉冲、高安全的需求，展现出超级电容在新型电力系统应用中不可或缺的独特作用。

3.2.1 新能源配储

随着近年风电装机量大幅增长，其自身波动性和随机性对并网的冲击和电力系统的安全稳定运行逐渐成为制约风电发展的关键问题。同时，风电消纳能力不足和弃风现象趋势抬头所造成的资源浪费和企业经济损失，也制约了风力发电的进一步应用。针对以上问题，随着储能技术的提升和成本的降低，在风力发电侧形成“一机一储”已展现出广泛的应用前景。

图4   风电“一机一储”典型方案

大规模风电并网，会对电力系统产生电压波动、电压电流波形畸变以及闪变等电能质量问题，若采用降低风电场并网容量方式保证电能质量，将会带来风电穿透功率降低的问题。因此，需采用能提供功率补偿的储能系统，通过毫秒级响应来实现动态调节能力。超级电容凭借其高功率密度和快速充放电能力，首先，能在风速变化导致风机输出功率波动时，迅速充放电，将功率波动控制在一定范围内，使风机输出功率更加平稳，减少对电网的冲击。超级电容能够基于大功率特性为风电机组提供额外虚拟惯量，使风电系统在接入电网时更加平滑，减少新能源发电的随机性、间歇性、波动性给电网带来的冲击，增强电网的稳定性。最后，超级电容可以通过快速充放电，调节直流母线电压，进而影响风机输出的有功功率和无功功率，参与电网的电压调节，提高电网的电压稳定性。

目前我国已有多个“一机一储”项目示范。例如在广东阳江雷平风电场的“一机一储”项目中，采用100 kW/15 s超级电容+100 kW/200 kWh锂电池的混合储能系统，能有效抑制风机输出功率波动，并且在电网频率出现偏差时，超级电容可以快速响应，提供或吸收功率，帮助电网恢复到额定频率。四川会东龙海风电场的“一机一储”项目中，600 kW/7.77 kWh超级电容储能系统与4.8 MW/9.6 MWh锂电池储能系统配合，可实现一次调频、AGC等功能。

3.2.2 火储联合调频

我国当前调频任务主要由火电、水电等承担，其中水电存在地域限制、并受丰水期和枯水期影响；更通用的火电机组，因其转动惯性大的原因，也存在机组调频响应速度慢、控制精度低、参与调频损害机组寿命等问题。超级电容作为典型的功率型储能产品，与锂离子电池相比，其更高的功率特性、更长的循环寿命以及更优异的安全特性，使其更能满足调频场景的应用。

现阶段已实施项目中，储能系统主要采用“锂离子电池+超级电容”的混合储能模式，既能发挥超级电容快速响应优势，又能极大延长锂离子电池的使用寿命，降低系统整体的使用和维护成本。在系统参与调频过程中，超级电容与锂离子电池互为补充，秒级的指令全部由超级电容响应，分钟级以上的指令则由超级电容和锂电池共同响应，显著提升储能调频系统综合性能。典型项目如华能罗源电厂，采用5 MW/4 min混合型超级电容+15 MW/7.5 MWh锂离子电池辅助机组调频，如图5所示。随着混合型超级电容的逐步推广与成本降低，逐渐出现了纯混合型超级电容的火储联合调频项目，如华能伊敏电厂采用16 MW/10 min超级电容辅助550 MW火电机组进行调频，并且得益于超级电容优秀的低温性能，在最低-30 ℃环境中仍可良好运行。目前，对超级电容在火储联合调频领域的项目不完全统计如表3所示。

图5   华能罗源电厂“锂离子电池+超级电容”火储联合调频项目

表3   超级电容火储联合调频项目统计

目前超级电容在火储联合调频的应用主要集中在三方面。一是混合储能功率的优化配置，以往大多按照工程经验，按照火电装机的1.5%~3%进行配置。为了保证储能系统的经济性和调节性能，逐渐出现了以混合储能成本、跟踪计划出力准确度、净效益等为目标的优化配置方法。二是混合储能系统的协同控制，依据外部调频指令，对混合储能系统内部的充放电功率分配方案进行优化设计，使得不同储能设备协同发挥最佳效能。分别采用巴特沃兹滤波器、小波包分解等手段进行功率分解，或是提出最大化各个方向上的功率响应能力的能量管理策略，以实现超级电容与锂离子电池的协调运行，尽可能减少蓄电池的累计充放电能量、提升整体运行效能。三是火储联合调频的耦合控制，以提升火电机组AGC能力为基本目标，优化在满足调节性能前提下的电池寿命、机组供热情况，以实现配置储能后火电机组的高效经济运行。

3.2.3 独立储能

除在发电侧调频运用场景外，超级电容储能系统还在电网侧作为独立调频储能、有功/无功补偿系统发挥重要作用。近年来新能源装机量的增加带来的发电量逐年递增，造成了电网频率呈现越限越繁，使得电网安全和稳定性受到极大挑战。目前，通过采用超级电容+锂离子电池的混合储能方式，建设独立储能电站，充分发挥超级电容和锂离子电池两种储能系统各自的优势，兼顾高功率和高能量，为电网提供“一次、二次调频”服务，能有效解决电网频率波动问题。该方式具有不受地理因素限制、便于集中调度以及控制简单等优势，能同时满足新能源消纳和电网调峰、调频需求。

目前，我国已经于山西省偏关县建成了全球最大独立调频电站，整体采用58 MW/30 s超级电容系统+42 MW/42 MWh锂电池系统组成，成功入选2025年4月国家发展改革委《绿色低碳先进技术示范项目清单(第二批)》名单。该项目通过快速响应电网频率波动，实现高频次对电网小频率波动的充分调节，保持了电网的稳定性，可为20倍于自身规模的新能源发电消纳提供调频支撑，项目现场如图6所示。

图6   山西省偏关县超级电容独立储能调频电站

此外，在新能源渗透率高、电网薄弱地区，需要具备“理想”同步电压源的构网型储能装置，通过在其储能系统中采用超级电容，可以借助其高功率特征，使构网的系统支撑能力更强、系统稳定能力更强、系统调节速度更快、系统黑启动更快。国家能源集团宁东混合储能示范工程，通过采用“超级电容+锂离子电池”的混合储能方式，实现了同时满足调峰、调频、构网等多应用场景下的混合储能关键技术研究与示范工程成功投运，验证了不同储能本体混合构网的可行性，其中超级电容的成功应用及时解决了动态响应需求，延长了系统设备使用寿命，提升了整体收益，如图7所示。

图7   国能宁东“锂电+超级电容”混合储能示范工程

3.3 交通

随着我国汽车产业的蓬勃发展，以及城市轨道交通运营里程的迅速增长，超级电容在交通领域也得到了充分的应用。

在汽车方面，通过超级电容与锂离子电池或铅酸电池的搭配，可显著延迟电池寿命，超级电容作为启停系统，其高能量效率可显著提升使用效率，降低全生命周期碳排放量。以国内某公司开发的车载3.0 V超级电容产品为代表，作为12 V/24 V低压启停电源成功应用于多家车企中，数量达到几十万台。同时，超级电容作为功率型器件，可在电动汽车行驶过程中承担大功率输出、无规则的功率波动等任务，延长锂离子电池使用寿命。

图8   超级电容应用于电动公交

在轨道交通方面，超级电容的使用可以实现有轨电车的站台快速充电、无触网运行以及降低轨道建设成本。据测算，使用超级电容的有轨电车在站台内仅需充电30 s，即能够实现3～5 km的运行；此外，在地铁列车运行方面，超级电容凭借快速充放电能力和长循环寿命，也可以承担地铁列车的频繁启停、动能回收以及备电作用，显著缓解电网波动与能源消耗，提升列车运行安全性。目前，超级电容已在国内北京西郊线(图9)、广州海珠线、淮安有轨电车线等多条线路的列车上成功应用，为城市公共交通的高效绿色发展提供了新的解决方案。

图9   超级电容应用于轨道交通 (北京西郊线)

3.4 其他场景

除以上典型应用场景外，超级电容还在动力机械、数据中心、电力设备等多个场景下有广泛应用。

在动力机械方面，以港口吊机为例(图10)，通过采用超级电容系统替代传统柴油发电机组，用作设备离网工作和设备转场电源，能有效解决柴油发电机组负荷能力不足、长期低负荷运行带来的效率低、磨损率高、污染重和噪声大等问题。同时，超级电容系统可以高效回收货物高差势能，起到节能增效的效果。以深圳蛇口港吊机改装为例，吊机设备每年可节约电能10万度以上。

图10   超级电容应用于港口吊机

在数据中心方面，随着以ChatGPT、DeepSeek为代表的AI模型大规模应用，其背后的通算中心(传统数据中心)已逐渐无法满足日益增加的算力需求，支持更大规模数据处理的智算中心(AIDC)应运而生，峰值功率也明显增加，使得备电系统务必满足高功率、瞬时响应的需求。超级电容能瞬时补偿电源波动，起到“削峰”作用，保护电路和设备，维持电压稳定。其次，在面临突发停电时，超级电容可作为一级备电，实现毫秒级供电，避免了服务器因供电延迟导致的数据丢失，也在UPS电池对系统的后续供电作出有效承接。目前，以日本武藏(MUSASHI)为代表的超级电容厂商，已成功将锂离子电容器产品应用于英伟达AIDC备电系统中，如图11所示，展现出相比于锂离子电池而言独特的功率性能优势。

图11   超级电容应用于数据中心

在电力设备方面，电力装备企业成功将超级电容储能系统应用于静止同步调相机中，以进一步解决暂态电压稳定和支撑问题。相比于传统分布式调相机面临的生产制造周期长和全生命周期成本相对较高等问题，由超级电容储能系统组成的静止同步调相机，具备高惯量、高阻尼、强支撑、低运维以及参数灵活的优势，能快速响应系统变化，提高暂态支撑能力以支撑电网，提高抗扰动能力；同时，投资更低，在取代传统调相机方面取得了非常好的效果和进展。目前世界首套静止同步调相机已于吉林成功投入运行，如图12所示。

图12   超级电容应用于静止同步调相机

4 结论与展望

本文综述了超级电容的产业化研究与应用，指出其作为功率型储能器件，具有高功率密度、长循环寿命、宽温域工作、本质安全等优势，分类包括双电层和混合型等。双电层超级电容聚焦电极材料、电解液及工艺研究，存在高压工况界面稳定性等问题；混合型超级电容则通过优化电极材料提升能量密度，功率密度有一定降低。超级电容应用场景广泛，可在风电变桨系统中替代铅酸电池，在电力系统中用于新能源配储、火储联合调频、独立储能等，交通领域则用于汽车启停和轨道交通，还在动力机械、数据中心、电力设备等场景有广泛应用。然而，目前超级电容存在能量密度、全寿命周期成本、应用场景等方面的瓶颈，制约了其进一步的推广应用。未来超级电容的研究与发展重点或将在于以下几个方面：

（1）开发新型材料体系，提升能量密度、降低内阻，减少全寿命周期度电成本。在未来相当长的一段时间内，具有高比表面积的活性炭材料仍然是超级电容产品的主要电极材料，因此需要开发出具有适度介孔特性、高容量且结构稳定的碳材料，充分发挥碳材料的孔容量，提高超级电容产品的能量密度。同时，在当前以能量为主的电力市场中，超级电容需持续降低成本、提高循环寿命，将全寿命周期度电成本降低至锂离子电池典型值以下，以在与锂离子电池储能的竞争中取得优势。

（2）推动应用场景多元化，结合场景开发差异化产品。如在风机变桨系统提升能量密度，减少模组体积；在火储联合调频场景，开发5~15 min量级的低成本、长寿命产品，以匹配火电AGC调节需求，并应对随着磷酸铁锂电池、钛酸锂电池成本降低、寿命提升所带来的挑战；在独立储能场景，跟随电力市场建设步伐，以电力辅助服务市场为核心收益方式，针对性开发适应一次调频、二次调频、备用等时间尺度的产品。

（3）推动“超级电容+”混合储能模式创新。作为典型的功率型储能器件，与锂离子电池等能量型储能联合使用，构成“混合储能”模式，可显著降低系统成本、提升系统寿命。一是对混合储能本体进行拓展，结合液流电池、重力储能等瞬时功率特性较差的储能形式，提升其功率调节能力；二是精细化混合储能配置方案，结合混合储能目的优化超级电容与其他储能形式的配置比例；三是混合储能智能调控，在调节过程中引入人工智能预测等先进控制方法，提升混合储能系统的控制水平。