鉅大LARGE | 點擊量：1099次 | 2022年09月05日
鋰電池會被淘汰? 超級電容能否取代鋰電池
早在十多年前，超級電容取代鋰電池的論調(diào)就層出不窮。隨著當(dāng)前電動汽車市場鋰電池風(fēng)生水起，不少堅持這一論調(diào)的人也開始將目光瞄向這一市場。但這個吹捧了十?dāng)?shù)年的觀點，為何遲遲沒有成真呢？
什么是超級電容？
超級電容器，又稱電化學(xué)電容器，是近年來越來越流行的一種儲能系統(tǒng)。它們可以被認(rèn)為是類似于普通電容器和電池的混合體，但又不同于兩者。
就像電池一樣，超級電容器也具有由電解質(zhì)隔開的正極和負(fù)極。但是，與電池不同的是，超級電容器像電容器一樣以靜電的方式儲存能量，而不是像電池那樣以化學(xué)的方式儲存能量。
超級電容器也有一個介質(zhì)分離器來分離電解質(zhì)——就像電容器一樣。這種內(nèi)部的電池結(jié)構(gòu)使得超級電容器具有很高的能量存儲密度，特別是與普通電容器相比。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
與電池相比，超級電容器確實比同樣大小的電池存儲的能量要少。但是，他們能夠更快地釋放它，因為放電不依賴于發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。
它們的另一個好處是，它們可以多次充電而很少衰減(超過100萬次的充放電循環(huán)很常見)。這是因為當(dāng)電荷存儲在它們內(nèi)部時，不會發(fā)生物理或化學(xué)變化。
超級電容器最常用的電極材料是各種形式的碳，如活性炭、碳纖維布、碳化物衍生碳，碳?xì)饽z、石墨(石墨烯)和碳納米管(CNT)。
超級電容器用于需要多次快速充放電循環(huán)而不是長期高能量密度儲能的場合。此外，它們還用于汽車助推器包和動力組。
超級電容vs鋰電池：萬般優(yōu)點難遮一丑
超級電容作為儲能設(shè)備可以說是具有天生的優(yōu)勢，鋰電池之類的主流儲能形式都是由電能轉(zhuǎn)化學(xué)能再轉(zhuǎn)電能，存在一定的能量損失，而超級電容的充放電過程中能量自始至終為電能，充放電效率極高。由于其儲能過程無化學(xué)反應(yīng)，而且可逆，所以充放電壽命遠(yuǎn)高于一般的鋰電池。
其次，超級電容的功率密度非常高，瞬時動態(tài)特性和扭矩表現(xiàn)更好，非常適合解決大型電動車的啟動加速問題。而且在高功率表密度下，更容易做到大功率快充，只需短短十?dāng)?shù)秒到十分鐘，就可以達(dá)到額定容量的95%以上.
在安全性上，超級電容也同樣勝過鋰電池一籌。因為超級電容是物理儲能，即便在短路的情況下，也不會出現(xiàn)液體泄漏、冒煙、起火、破裂或爆炸的現(xiàn)象，而且充放電時溫升非常小，不必?fù)?dān)心過熱的情況。而且超級電容的原材料無污染，是綠色的儲能設(shè)備，可以輕易達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
那么有了這么多優(yōu)點，為何超級電容還沒有取代鋰電池呢？關(guān)鍵就在于能量密度上。儲能設(shè)備的首要任務(wù)就是“儲能”，如果不能存儲大容量的電能，那么快充、壽命這些需求都是偽命題，或者是只能用于特定的場景。
超級電容的能量密度并不高，甚至普遍低于10Wh/kg，這與動輒高于150Wh/kg的鋰電池相比，可以說是致命的劣勢。就拿上圖中愛沙尼亞公司Skeleton推出的超級電容來說，其能量密度最高只有6.8Wh/kg。
不僅是質(zhì)量能量密度，超級電容的體積能量密度同樣低于鋰電池。也就是說同等電能容量下，超級電容所需的體積和質(zhì)量都要大于鋰電池。對于乘用車這種結(jié)構(gòu)和體積要求嚴(yán)格的產(chǎn)品來說，超級電容可以說是在第一輪就被刷了下來。
不過，這并不代表著超級電容不能在電動車市場找到一席之地，尤其是在公共交通上。
公共交通：弱化超級電容的劣勢
既然在體積上沒有優(yōu)勢，那就不妨選擇體積要求較小的公共交通市場。早在2006年，上海就投入了超級電容公交車，在上下客期間充電30秒到1分鐘就能跑上5公里。然而這種超級電容車雖然能耗低，但設(shè)備安裝和制造成本過高，并沒有廣泛推廣。
不僅如此，充電一次存儲的能量太少，尤其是在大客流和夏天開空調(diào)的大功耗下。若要兼顧里程數(shù)的話，充電時長又很難滿足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交車開兩站就停下充電的情況，司機(jī)也不想因為充電耽誤里程和時間。
為了解決這一問題，不少超級電容車開始采用超級電容+鋰電池混用的技術(shù)。超級電容負(fù)責(zé)解決充電速度、加速扭矩和制動等問題，而鋰電池則負(fù)責(zé)輔助解決續(xù)航里程問題。如果總行程距離并不長的情況下，可以只在首尾站架設(shè)充電弓。若是非得在中途充電的話，也可以在中間站架設(shè)充電功率低的充電弓，以解決充電時間問題。
廣州黃埔有軌電車1號線/廣州黃埔發(fā)布
2020年底，全國首條超級電容+鋰電池的有軌電車，廣州黃埔有軌電車1號線也開始正式運營。該線路采用的超級電容單體容量達(dá)到9500法拉，上下車間隙的充電時長不到30秒，作為輔助儲能的鈦酸鋰電池則負(fù)責(zé)緊急情況下的補償供電。
能量密度如何突破？
雖然現(xiàn)階段超級電容的能量密度不比鋰電池，甚至難以超越鉛酸電池，但有關(guān)的研究依然在探索從材料等角度突破這一限制。
德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)在今年開發(fā)出一款“非對稱”的超級電容器，結(jié)合化學(xué)修飾過的石墨烯材料和納米結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架，其能量密度可以達(dá)到73Wh/kg，基本可以可以替代當(dāng)前的鉛酸電池。而且該超級電容非常穩(wěn)定，在1萬個周期后依然可以保持90%的容量。
可彎曲的超級電容/倫敦大學(xué)學(xué)院
倫敦大學(xué)學(xué)院去年也和中國科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了一項研究，通過帶孔的石墨烯電極材料，他們將超級電容的體積能量密度提升至88.1Wh/L，而傳統(tǒng)的鉛酸電池體積能量密度通常在50至90Wh/L。運用新材料的超級電容還擁有極高的靈活度，可以彎曲180度而不影響其性能，所以也可以用于折疊手機(jī)和可穿戴產(chǎn)品中。
中國中車也在持續(xù)研制石墨烯超級電容，他們當(dāng)前已有的60000F超級電容已經(jīng)可以做到40Wh/kg的能量密度和2314W/kg的功率密度。據(jù)了解，他們不僅打算繼續(xù)在能量密度上突破，更是希望做到更高的功率密度，以滿足一些應(yīng)用的要求。
正如我們所見，超級電容最適合在短時間內(nèi)需要大量電能的情況下使用。就電動汽車而言，這意味著當(dāng)汽車需要能量爆發(fā)時(比如在加速時)，它們將比電池更好。
事實上，這正是豐田對雅力士混合動力Hybrid-R概念車所做的事。它使用超級電容器就是為了這個目的。
標(biāo)致雪鐵龍也開始使用超級電容器，作為其啟停燃油節(jié)能系統(tǒng)的一部分。這依賴于更快的初始加速度。
馬自達(dá)的i-ELOOP系統(tǒng)也使用超級電容在減速過程中存儲能量。儲存的能量用于發(fā)動機(jī)的啟停系統(tǒng)。
在日常駕駛中，超級電容器還不能代替電動汽車中的電池。由于這個原因，鋰電池很可能在不久的將來成為電動汽車的首選電源，直到開發(fā)出更好的替代能源。
許多人認(rèn)為，隨著能量回收系統(tǒng)在減速過程中的普及，超級電容器將變得越來越普遍。這種儲存的能量可以在加速時重復(fù)使用，而不是直接從電池取電。
然而，根據(jù)這項研究，當(dāng)“電力需求小于電動機(jī)的功率容量時，它們可以在混合動力汽車中代替電池；當(dāng)車輛動力需求超過電機(jī)動力需求時，發(fā)動機(jī)運行滿足車輛動力需求，并為超級電容器單元提供充電動力。
最近對石墨烯超級電容器的研究可能意味著電動車電池的時代可能很快就會結(jié)束。這項研究由萊斯大學(xué)和昆士蘭科技大學(xué)的科學(xué)家合作完成，發(fā)表在《電源與納米技術(shù)雜志》上。
他們研發(fā)的溶液由由兩層石墨烯組成，在它們之間具有電解質(zhì)層。這層薄膜很強(qiáng)大，能在短時間內(nèi)釋放大量的能量。
但這是有限制的，它畢竟是一個超級電容。這項研究的不同之處在于，他們建議在未來的電動汽車中，可以用大量的超級電容器來替代電池，以替代笨重的電池。
例如，可以將它們集成到車身面板、車頂板、地板甚至車門中。理論上，這可以為汽車提供所需的所有能量，并使其比電池驅(qū)動的電動汽車輕得多。
這種電動汽車的充電速度也比電池驅(qū)動的電動汽車快得多。但是，像所有的超級電容一樣，這種解決方案仍然不能像標(biāo)準(zhǔn)電池那樣儲存那么多的能量。
“未來，希望即將開發(fā)的超級電容器存儲比鋰電池更多的能量，同時保持釋放能量的能力提高10倍——這意味著汽車可以完全由超級電容器供電，”研究報告的合著者JinzhangLiu說。
一次充滿電后，這款車應(yīng)該能跑500公里(310英里)——類似于汽油動力汽車，是電動汽車電流極限的兩倍多。電動汽車制造商也可能對未來汽車使用超級電容器的可能性感興趣。例如，特斯拉已經(jīng)“先行一步”，最近收購了一家超級電容和電池組件制造商Maxwell。
超級電容在能量密度上的突破與石墨烯息息相關(guān)，但石墨烯目前仍然面臨著大規(guī)模量產(chǎn)的問題，也給大能量密度的超級電容施加了桎梏。如果無法解決這一問題，超級電容目前仍然只能用于公共交通和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，要想替代鋰電池，還有很長的一段路要走。電子發(fā)燒友網(wǎng)，電動汽車觀察
