鋰離子電池和超級(jí)電容器之間，這不是一個(gè)有關(guān)賽跑的故事，電力混合，這是有關(guān)合作的故事

“當(dāng)你把兔子和烏龜雜交時(shí)，你會(huì)得到什么？”

這是最近《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志的一篇題為《兔子和烏龜》中引用的法國(guó)超級(jí)電容器廠商N(yùn)AWATechnologies首席執(zhí)行官UlrikGrape的話，為的是說(shuō)明鋰離子電池和超級(jí)電容器之間電力混合的好處。他說(shuō)：“最好的策略是，當(dāng)?shù)缆菲教箷r(shí)，兔子騎烏龜，而在道路條件差時(shí)，烏龜騎兔子。這不是一個(gè)有關(guān)賽跑的故事，而是有關(guān)合作的故事?！?/p>

（來(lái)源：TechSugar；ID：TechSugar；作者：立厷）

龜兔合作跑的更遠(yuǎn)

安全性、可持續(xù)性和可回收性，以及要稀有材料（如鈷）是當(dāng)今鋰離子電池技術(shù)的重要缺點(diǎn)。在尋找可替代的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)存可再生能源的過(guò)程中，電池和電容器結(jié)合的“混合超級(jí)電容器”開始引人關(guān)注。

市場(chǎng)分析表明，目前超級(jí)電容器的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多，正在迅速取代電池用于儲(chǔ)能。隨著汽車和IT應(yīng)用的發(fā)展，可再生能源越來(lái)越受歡迎，電網(wǎng)儲(chǔ)能極具發(fā)展?jié)摿ΑｉL(zhǎng)期以來(lái)，儲(chǔ)能一直是可再生能源發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。隨著科技初創(chuàng)公司和更多的超級(jí)電容器供應(yīng)商開始進(jìn)一步利用潛在能源，可再生能源的回收、儲(chǔ)存和管理將展現(xiàn)良好的發(fā)展前景。

當(dāng)然，人們還是希望超級(jí)電容器能夠在當(dāng)前迫切要快速充放電、高充電循環(huán)，以及極端溫度下高效工作、高功率、高可靠和安全等方面發(fā)揮更大的用途，比如電動(dòng)汽車應(yīng)用。最近，網(wǎng)上也在討論超級(jí)電容和大功率鋰離子電池哪個(gè)更適合混合動(dòng)力汽車的問(wèn)題。

網(wǎng)友提問(wèn)

看看網(wǎng)友怎么說(shuō)：

網(wǎng)友A

“重要看你的車準(zhǔn)備跑多遠(yuǎn)了，超級(jí)電容容量有限，跑跑就要充電?！?/p>

網(wǎng)友B

“就目前看，超級(jí)電容器密度還是不及鋰電，而且鋰電的密度在迅速提高?！?/p>

網(wǎng)友C

“最好是兩者都用，達(dá)到互補(bǔ)的目的”；“兩者是不矛盾的，可以結(jié)合使用。汽車在啟動(dòng)、加速和制動(dòng)的時(shí)候，用超級(jí)電容器吸放能量節(jié)能很多。電動(dòng)汽車應(yīng)用超級(jí)電容器不僅是用其能量密度，其快充快放性能也很有用。”

網(wǎng)友D

“目前來(lái)講，超級(jí)電容和鋰電結(jié)合是最可能快速執(zhí)行的思路。一旦技術(shù)成熟，則成本問(wèn)題應(yīng)該不大?！?/p>

網(wǎng)友E

“二者性能不同，超級(jí)電容可以大電流放電，高功率，但容量小，因此適于啟動(dòng)、加速等高功率情況。鋰離子電池倍率放電性能差一些，但容量大，因此適于長(zhǎng)距離行駛。雖然功率型鋰離子電池的倍率放電性能較好，但與超級(jí)電容相比，還是差一些?！?/p>

……

什么是超級(jí)電容器？

超級(jí)電容器是一種儲(chǔ)能裝置，具有高功率密度、幾乎瞬間充放電、高可靠性和超長(zhǎng)壽命。該技術(shù)它已經(jīng)發(fā)展了幾十年，近年來(lái)在納米材料進(jìn)步的推動(dòng)下發(fā)展迅速，受到基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)電氣化，以及汽車和運(yùn)輸行業(yè)的日益關(guān)注。

超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)

壽命長(zhǎng)：100萬(wàn)次充電周期或15年以上

免維護(hù)、可靠而安全：在-40℃至65℃的極端溫度下也能達(dá)到最大效率；

功率密度大：高達(dá)電池功率密度（電池的倍率性能，即電池可以以多大的電流放電）的60倍；

效率高：比電池效率高30%；

無(wú)稀有金屬或有害物質(zhì)：如鋰、鈷或其他物質(zhì)。

我們將超級(jí)電容與電池比較一下，可以看到以下結(jié)果：

上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，與電池相比，超級(jí)電容器有幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，不同之處在于，超級(jí)電容器是在電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量，而不是像電池那樣在化學(xué)反應(yīng)中儲(chǔ)存能量。這也是壽命差異的原因——在沒(méi)有維護(hù)的情況下，超級(jí)電容器可以工作15年以上。

鋰離子電池與超級(jí)電容結(jié)構(gòu)不同

從特性看，超級(jí)電容器的內(nèi)阻很?。ǖ椭?.12mΩ），所以其工作效率接近100%，也比電池輕得多。

超級(jí)電容器的理想應(yīng)用是要高功率和恒定循環(huán)的場(chǎng)合，例如KERS（動(dòng)能回收系統(tǒng)），其制動(dòng)能量被儲(chǔ)存并重新用于加速或照明。另一個(gè)很好的使用案例是電能質(zhì)量——即使是電能質(zhì)量幾微秒的微小擾動(dòng)，假如沒(méi)有超級(jí)電容器來(lái)保護(hù)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)，也會(huì)造成數(shù)千萬(wàn)元的損失。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，電池和超級(jí)電容器已成為互補(bǔ)技術(shù)：電池供應(yīng)長(zhǎng)期能源，而超級(jí)電容器供應(yīng)快速反應(yīng)和高功率。所以有人說(shuō)，超級(jí)電容器加電池是電氣化的未來(lái)。

電池總能量vs超級(jí)電容的大電流快放電

怎么混合？

對(duì)鋰離子電池的疑慮——里程焦慮、充電時(shí)間、成本和安全性——都會(huì)讓人們掏錢時(shí)猶豫不決?；旌铣?jí)電容器的好處加上電池的耐力至少可以解決一些問(wèn)題，從而真正啟動(dòng)一個(gè)無(wú)憂無(wú)慮的電動(dòng)汽車時(shí)代。

盡管用電池和超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能是否可以與傳統(tǒng)鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)還有待觀察，但電池和超級(jí)電容器雜交的后代將給電動(dòng)汽車供應(yīng)更大的續(xù)航里程和動(dòng)力。

加速時(shí)，一些電動(dòng)汽車不僅依靠電池來(lái)供應(yīng)必要的功率，還使用超級(jí)電容器二次電源。電池就像馬拉松選手相同，在長(zhǎng)距離行駛時(shí)供應(yīng)穩(wěn)定的放電；超級(jí)電容器是一個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，能迅速釋放大量能量。

快速放電并不是超級(jí)電容器帶來(lái)的唯一優(yōu)勢(shì)，它也可以更快地充電。因?yàn)榭梢晕哲囕v減速時(shí)出現(xiàn)的更多電能，使它在再生制動(dòng)系統(tǒng)中特別有用。不過(guò)，它只能儲(chǔ)存電池所消耗能量的一小部分。因此，它們很快就“沒(méi)氣”了。正因?yàn)槿绱?，工程師們?cè)趪L試將超級(jí)電容器的最佳性能與電池最有用的特性相結(jié)合，從而制造出一種既有速度又有續(xù)航能力的存儲(chǔ)設(shè)備。他們現(xiàn)在取得了一些成功。

NAWATechnologies首席執(zhí)行官UlrikGrape說(shuō)，其超級(jí)電容器樣的電池可以使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提高一倍以上，一次充電就可以行駛1000公里，也可以在5分鐘內(nèi)充電到80%的容量。

UlrikGrape

他承認(rèn)，電容器和電池的工作方式不同，所以將它們結(jié)合起來(lái)很困難。電容器以靜電形式物理地儲(chǔ)存能量，很容易并可迅速放電，因此電容器具有良好的功率密度。一個(gè)像樣的現(xiàn)代超級(jí)電容器的功率密度為每公斤幾千瓦。

鋰離子電池與超級(jí)電容能量密度比較

電池以活性物質(zhì)形式在兩個(gè)電極中以化學(xué)方式儲(chǔ)存能量。這些電極在物理上是分開的，但是通過(guò)一種叫做電解質(zhì)的材料連接起來(lái)，帶電的原子（即離子）通過(guò)電解質(zhì)可以從一個(gè)傳遞到另一個(gè)，從而允許反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。不過(guò)，只有當(dāng)離子流被通過(guò)電極間外部電路的電子流平衡時(shí)，才會(huì)發(fā)生這種情況。這個(gè)電子流就是電流，這是電池存在的原因。

以這種方式控制化學(xué)反應(yīng)要時(shí)間，所以電池的功率密度較低。因此，一個(gè)非電動(dòng)汽車使用的鋰離子電池每公斤的電量可能只有十分之一千瓦。但是化學(xué)物質(zhì)可以儲(chǔ)存大量的能量，所以電池有很高的能量密度（單位重量電池所儲(chǔ)存的能量）。鋰離子電池可儲(chǔ)存200-300Wh/kg，超級(jí)電容器通常小于10Wh/kg。

相比之下，無(wú)論是基本電容器還是超級(jí)電容器，都是由一對(duì)導(dǎo)電板組成，放置在隔離材料的兩側(cè)。當(dāng)一個(gè)電壓被施加到這些板上時(shí)，板的表面就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正電荷，而另一個(gè)板上則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相應(yīng)的負(fù)電荷。通過(guò)外部電路連接這些極板，然后就會(huì)有電流流過(guò)。

從基本電容器到超級(jí)電容器的飛躍涉及兩個(gè)方面。一種方法是用活性碳等多孔材料覆蓋板材，以新增可用于儲(chǔ)能的表面積。另一種方法是將它們浸泡在電解液中，在電解質(zhì)與極板之間形成了更多的存儲(chǔ)區(qū)域。不過(guò)，在混合物中加入電解液，也有可能同時(shí)加入一些類似電池的電化學(xué)。愛沙尼亞的石墨烯基超級(jí)電容器公司SkeletonTechnologies已在這樣做。

兩倍于特斯拉電池的能量密度

十一月初，SkeletonTechnologies剛剛從歐洲優(yōu)秀公司家那里籌集了4130萬(wàn)歐元融資，并與住友商事歐洲公司簽訂了石墨烯基超級(jí)電容器經(jīng)銷協(xié)議，旨在為快速發(fā)展的混動(dòng)及電動(dòng)汽車行業(yè)供應(yīng)儲(chǔ)能方法。此前該公司已與英國(guó)巴士集團(tuán)簽署了一份高達(dá)數(shù)百萬(wàn)歐元的采購(gòu)合同，為最新KERS燃料動(dòng)力電池公交車供應(yīng)石墨烯超級(jí)電容器。

據(jù)稱，Skeleton最新的材料技術(shù)創(chuàng)新使其超級(jí)電容器能量密度提高了兩倍，成為無(wú)排放運(yùn)輸?shù)臍淙剂蟿?dòng)力電池的理想補(bǔ)充。Skeleton首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人TaaviMadiberk說(shuō)：“氫燃料動(dòng)力電池汽車關(guān)于降低二氧化碳排放和應(yīng)對(duì)氣候變化具有高度戰(zhàn)略意義。

Skeleton的超級(jí)電容器是氫經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵促成因素之一。燃料動(dòng)力電池不能回收制動(dòng)能量并重新利用它來(lái)加速，要高效的儲(chǔ)能裝置來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率并降低總擁有成本。超級(jí)電容器和燃料動(dòng)力電池的結(jié)合將加速氫燃料動(dòng)力電池汽車的市場(chǎng)應(yīng)用?！?/p>

Skeleton的下一代高能超級(jí)電容器基于材料技術(shù)創(chuàng)新，將市場(chǎng)上最高功率密度與高于最接近競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（包括特斯拉）2倍的能量密度結(jié)合起來(lái)，降低了燃料動(dòng)力電池的應(yīng)力，有利于車輛燃料的經(jīng)濟(jì)性，使之更加有效地工作，并新增了系統(tǒng)的總里程。該項(xiàng)目的試點(diǎn)測(cè)試計(jì)劃于2021年完成。

Skeleton開發(fā)的超級(jí)電容器采用一種具有很高導(dǎo)電性的“彎曲”石墨烯板。石墨烯板由皺巴巴的物質(zhì)組成，表面積的新增使其新產(chǎn)品的能量密度達(dá)到10-15Wh/kg，這是超級(jí)電容器20-30Wh/kg理論最大值的一個(gè)很好分?jǐn)?shù)。

Skeleton的創(chuàng)新負(fù)責(zé)人SebastianPohlmann表示，盡管基本上這仍然是一個(gè)超級(jí)電容器，是以靜電方式儲(chǔ)存大部分電荷，但電解液也將供應(yīng)一些化學(xué)能量?jī)?chǔ)存，但他并透露所使用的電解液和所涉及的化學(xué)成分。他聲稱，這將是一種在15秒內(nèi)可以充電的東西，并且能夠儲(chǔ)存60Wh/kg的能量。Skeleton計(jì)劃在2023年開始商業(yè)化生產(chǎn)這種超級(jí)電容器。

為超級(jí)電容新增化學(xué)儲(chǔ)能

一個(gè)觸點(diǎn)的工作原理類似于電容板，另一個(gè)像電池電極。與Skeleton不同的是，Graz小組對(duì)他們的電解質(zhì)化學(xué)方法持開放態(tài)度。他們使用碘化鈉水溶液（即鈉離子和碘離子的溶液）。在電極上，碘變成元素碘，在放電過(guò)程中在孔隙中結(jié)晶。當(dāng)設(shè)備充電時(shí)，這個(gè)過(guò)程會(huì)自動(dòng)反轉(zhuǎn)。板上的孔同樣起到容納鈉離子的用途。

從其發(fā)明者最近在《自然通訊》上發(fā)表的一篇論文看，Graz電池的性能超過(guò)了鋰離子電池。該小組的成員之一QamarAbbas說(shuō)，它能夠應(yīng)對(duì)多達(dá)100萬(wàn)次充放電循環(huán)，等效鋰離子電池預(yù)計(jì)只能有幾千次循環(huán)。

Keleton和Graz小組都采用了改良的超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)，并添加了一些定制的電化學(xué)，相比之下，盡管NAWA的產(chǎn)品確實(shí)也采用了改性超級(jí)電容器板作為電極，但它使用了久經(jīng)考驗(yàn)且值得信賴的鋰離子成分進(jìn)行化學(xué)輔助工作。

與Skeleton相同，NAWA的超級(jí)電容器的金屬板是用一種叫做VACNT（垂直排列碳納米管）工藝制造的，因此稱為超快速碳電池。將這些管子排列成一個(gè)陣列，就像微型刷子上立在那里的刷毛，大大新增了可容納電荷的表面積。

為了使VACNT板也能像電池相同工作，NAWA的工程師們已經(jīng)將納米管“森林”變薄，為電池反應(yīng)所用的化學(xué)物質(zhì)涂層騰出空間，也為鋰離子進(jìn)出管子之間的空間騰出位置。該公司估計(jì)，行動(dòng)自由將使其功率密度提高10倍。

NAWA陰極（電池正極）的納米管涂有鎳、錳和鈷，這種混合物已經(jīng)被廣泛用于制造這種陰極。傳統(tǒng)陽(yáng)極（負(fù)電極）已經(jīng)是碳基了。不過(guò)，其他商業(yè)化程度較低的電池化學(xué)試劑也可以用在VACNT陰極，包括鋰硫和鋰硅，這兩種材料都有新增能量密度的潛力。

在與一些未具名的電池公司進(jìn)行的測(cè)試中，一個(gè)電池中VACNT電極的能量密度達(dá)到500Wh/kg，而在另一個(gè)電池中則達(dá)到了每升1400Wh/升的能量密度。這大約分別是普通鋰離子電池重量和體積的兩倍。NAWA稱：“我們很容易做到這一點(diǎn)，因此我們相信還有更大的改進(jìn)空間?！?/p>

NAWA承認(rèn)與之合作的一家公司是電池制造商Saft（隸屬于法國(guó)石油巨頭Total的大型電池制造商）。Saft的客戶中有幾支一級(jí)方程式車隊(duì)，他們?cè)谫愜囍惺褂靡恍╇娏Αaft還與歐洲大型汽車制造商PSA集團(tuán)（PSAgroup）合作，生產(chǎn)電動(dòng)汽車用電池。

當(dāng)然，新產(chǎn)品的成功將取決于制造成本。NAWA已經(jīng)在建造一條大規(guī)模生產(chǎn)線，為其最新的超級(jí)電容器制造極板。NAWA的首席執(zhí)行官UlrikGrape說(shuō)：“這種在鋁箔兩側(cè)生長(zhǎng)納米管的工藝可以很容易地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有電池生產(chǎn)線上，甚至可以降低電池制造成本。第一代超級(jí)電容電池混合動(dòng)力車有望于2023年投產(chǎn)。”

“混合”使儲(chǔ)存和動(dòng)力兼得

談到開發(fā)混合動(dòng)力鋰電池的初衷時(shí)，UlrikGrape說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，汽車電池系統(tǒng)正在顯著改善，但為何你不結(jié)合兩種不同的技術(shù)，帶來(lái)最好的混合能源儲(chǔ)存和動(dòng)力呢？”混合電池背后的理論是鋰離子電池和超級(jí)電容器的結(jié)合，它可以顯著降低電池組重量，提高整體效率和系統(tǒng)壽命。

UlrikGrape介紹說(shuō)，他的公司用了15年開發(fā)了一種新型超級(jí)電容器，可以供應(yīng)現(xiàn)有超級(jí)電容器功率和能量的三到五倍。這種超快速碳電池彌補(bǔ)了現(xiàn)有超級(jí)電容器和鋰離子電池之間的鴻溝。然而，超級(jí)電容器——即使是最具創(chuàng)新性的電容器——在儲(chǔ)能方面仍然無(wú)法與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)。他說(shuō)：“你當(dāng)然可以用超級(jí)電容器給一輛小型車供電，但它的續(xù)航里程很短，要經(jīng)常充電。這是城市汽車或共享汽車的理想選擇，但關(guān)于更廣泛的汽車行業(yè)，混合動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)才可以釋放我們技術(shù)的全部潛力。”

由于其各向異性的結(jié)構(gòu)和非常高的導(dǎo)電性，NAWA的超快碳電極實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)上獨(dú)一無(wú)二的新一代大功率超級(jí)電容器（NAWACappower）。其功率密度比現(xiàn)有超級(jí)電容器高10到100倍，等效串聯(lián)電阻（ESR）低10倍以上。溫度（低和高）和頻率特性也大大改善，因此，NAWACap功率超級(jí)電容器在高溫、低溫或高頻下可比當(dāng)前產(chǎn)品多保存5倍以上能量。

電動(dòng)汽車怎么用超級(jí)電容？

先讓我們看看電動(dòng)汽車是如何回收和使用能源的。在再生制動(dòng)過(guò)程中，傳統(tǒng)鋰離子電池只能回收20-30%的能量，化學(xué)成分意味著它無(wú)法接受高充電率而不會(huì)危及安全或壽命。然而，由于超級(jí)電容器能夠在幾秒鐘內(nèi)充放電，性能不會(huì)損失，因此可以回收大約90%的能量。

這樣，超級(jí)電容器就非常適合承受像再生制動(dòng)這樣的重負(fù)荷，比鋰離子電池更快地利用更多的能量。它們很擅長(zhǎng)快速釋放這種能量，快速加速比鋰離子電池好得多。把兩者放在一起，就可以減少鋰離子電池的體積，因?yàn)槌?jí)電容器會(huì)帶走前者的一些工作負(fù)載。在短時(shí)間內(nèi)，這意味著更少的總重量、更多的效率和更好的加速響應(yīng)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，由于超級(jí)電容器的充電次數(shù)可以超過(guò)100萬(wàn)次，且可承受沉重負(fù)載，因此有可能使鋰離子電池的負(fù)載變得溫和，例如定期充電和放電。這就延長(zhǎng)了鋰離子電池和整個(gè)能源系統(tǒng)的壽命，降低使用成本。

UlrikGrape說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)超級(jí)電容器與電池的結(jié)合，可以使鋰離子電池更小，降低能量和熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，將總重量從300公斤減少到210公斤，而具有相同的總功率。重量減輕了30%，但性能更高，行駛里程更長(zhǎng)?！?/p>

他強(qiáng)調(diào)，更重要的是，混合電池的碳基于一種豐富的、易獲得的天然材料，可循環(huán)利用，并且有可能減少行業(yè)對(duì)鋰的依賴。它真的有利于環(huán)保。

應(yīng)用不只是汽車

NAWACap超快速碳電池壽命更長(zhǎng)，可用于更舒適、更可用和更安全的車輛，包括混合動(dòng)力汽車、電池電動(dòng)汽車（BEV）和燃料動(dòng)力電池汽車（FCEV），超高速碳電池可以快速存儲(chǔ)（和部署）再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量，大大提高能源效率和改善自動(dòng)駕駛性。在未來(lái)的城市交通中，包括電動(dòng)公共汽車、有軌電車或自動(dòng)駕駛車輛都是功率超級(jí)電容器的重要目標(biāo)市場(chǎng)。

未來(lái)，全球率先采用這些革命性新電池的部門將是制造業(yè)，超級(jí)電容器電池是電動(dòng)工具和廠自動(dòng)導(dǎo)航車輛的理想選擇，用它取代鋰離子系統(tǒng)可供應(yīng)更快的充電和更長(zhǎng)的使用壽命。此外，電網(wǎng)中的可再生能源結(jié)構(gòu)、敏感場(chǎng)所的不間斷電源、物聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)解決方法，以及海洋或太空等惡劣環(huán)境中的設(shè)備都將是超級(jí)電容器電池的用武之地。

新版“龜兔故事”，就在鋰離子電池和超級(jí)電容器之間