鋰離子電池和超級電容器之間，這不是一個有關(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》中引用的法國超級電容器廠商N(yùn)AWATechnologies首席執(zhí)行官UlrikGrape的話，為的是說明鋰離子電池和超級電容器之間電力混合的好處。他說：“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。這不是一個有關(guān)賽跑的故事，而是有關(guān)合作的故事。”

（來源：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)儲能系統(tǒng)用于電動汽車和儲存可再生能源的過程中，電池和電容器結(jié)合的“混合超級電容器”開始引人關(guān)注。

市場分析表明，目前超級電容器的應(yīng)用場景越來越多，正在迅速取代電池用于儲能。隨著汽車和IT應(yīng)用的發(fā)展，可再生能源越來越受歡迎，電網(wǎng)儲能極具發(fā)展?jié)摿ΑｉL期以來，儲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，比如電動汽車應(yīng)用。最近，網(wǎng)上也在討論超級電容和大功率鋰離子電池哪個更適合混合動力汽車的問題。

網(wǎng)友提問

看看網(wǎng)友怎么說：

網(wǎng)友A

“重要看你的車準(zhǔn)備跑多遠(yuǎn)了，超級電容容量有限，跑跑就要充電。”

網(wǎng)友B

“就目前看，超級電容器密度還是不及鋰電，而且鋰電的密度在迅速提高。”

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、加速和制動的時(shí)候，用超級電容器吸放能量節(jié)能很多。電動汽車應(yīng)用超級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

“目前來講，超級電容和鋰電結(jié)合是最可能快速執(zhí)行的思路。一旦技術(shù)成熟，則成本問題應(yīng)該不大。”

網(wǎng)友E

“二者性能不同，超級電容可以大電流放電，高功率，但容量小，因此適于啟動、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，但與超級電容相比，還是差一些。”

……

什么是超級電容器？

超級電容器是一種儲能裝置，具有高功率密度、幾乎瞬間充放電、高可靠性和超長壽命。該技術(shù)它已經(jīng)發(fā)展了幾十年，近年來在納米材料進(jìn)步的推動下發(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。

超級電容器的優(yōu)點(diǎn)

壽命長：100萬次充電周期或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%；

無稀有金屬或有害物質(zhì)：如鋰、鈷或其他物質(zhì)。

我們將超級電容與電池比較一下，可以看到以下結(jié)果：

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

鋰離子電池與超級電容結(jié)構(gòu)不同

從特性看，超級電容器的內(nèi)阻很小（低至0.12mΩ），所以其工作效率接近100%，也比電池輕得多。

超級電容器的理想應(yīng)用是要高功率和恒定循環(huán)的場合，例如KERS（動能回收系統(tǒng)），其制動能量被儲存并重新用于加速或照明。另一個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，假如沒有超級電容器來保護(hù)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)，也會造成數(shù)千萬元的損失。

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

電池總能量vs超級電容的大電流快放電

怎么混合？

對鋰離子電池的疑慮——里程焦慮、充電時(shí)間、成本和安全性——都會讓人們掏錢時(shí)猶豫不決。混合超級電容器的好處加上電池的耐力至少可以解決一些問題，從而真正啟動一個無憂無慮的電動汽車時(shí)代。

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

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

快速放電并不是超級電容器帶來的唯一優(yōu)勢，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，使它在再生制動系統(tǒng)中特別有用。不過，它只能儲存電池所消耗能量的一小部分。因此，它們很快就“沒氣”了。正因?yàn)槿绱耍こ處焸冊趪L試將超級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)航能力的存儲設(shè)備。他們現(xiàn)在取得了一些成功。

NAWATechnologies首席執(zhí)行官UlrikGrape說，其超級電容器樣的電池可以使電動汽車的續(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)合起來很困難。電容器以靜電形式物理地儲存能量，很容易并可迅速放電，因此電容器具有良好的功率密度。一個像樣的現(xiàn)代超級電容器的功率密度為每公斤幾千瓦。

鋰離子電池與超級電容能量密度比較

電池以活性物質(zhì)形式在兩個電極中以化學(xué)方式儲存能量。這些電極在物理上是分開的，但是通過一種叫做電解質(zhì)的材料連接起來，帶電的原子（即離子）通過電解質(zhì)可以從一個傳遞到另一個，從而允許反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。不過，只有當(dāng)離子流被通過電極間外部電路的電子流平衡時(shí)，才會發(fā)生這種情況。這個電子流就是電流，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，一個非電動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（單位重量電池所儲存的能量）。鋰離子電池可儲存200-300Wh/kg，超級電容器通常小于10Wh/kg。

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

從基本電容器到超級電容器的飛躍涉及兩個方面。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區(qū)域。不過，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4130萬歐元融資，并與住友商事歐洲公司簽訂了石墨烯基超級電容器經(jīng)銷協(xié)議，旨在為快速發(fā)展的混動及電動汽車行業(yè)供應(yīng)儲能方法。此前該公司已與英國巴士集團(tuán)簽署了一份高達(dá)數(shù)百萬歐元的采購合同，為最新KERS燃料動力電池公交車供應(yīng)石墨烯超級電容器。

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

Skeleton的超級電容器是氫經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵促成因素之一。燃料動力電池不能回收制動能量并重新利用它來加速，要高效的儲能裝置來提高整個系統(tǒng)的效率并降低總擁有成本。超級電容器和燃料動力電池的結(jié)合將加速氫燃料動力電池汽車的市場應(yīng)用。”

Skeleton的下一代高能超級電容器基于材料技術(shù)創(chuàng)新，將市場上最高功率密度與高于最接近競爭對手（包括特斯拉）2倍的能量密度結(jié)合起來，降低了燃料動力電池的應(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)測試計(jì)劃于2021年完成。

Skeleton開發(fā)的超級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，這是超級電容器20-30Wh/kg理論最大值的一個很好分?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超級電容器，是以靜電方式儲存大部分電荷，但電解液也將供應(yīng)一些化學(xué)能量儲存，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)這種超級電容器。

為超級電容新增化學(xué)儲能

一個觸點(diǎn)的工作原理類似于電容板，另一個像電池電極。與Skeleton不同的是，Graz小組對他們的電解質(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，在放電過程中在孔隙中結(jié)晶。當(dāng)設(shè)備充電時(shí)，這個過程會自動反轉(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電池的性能超過了鋰離子電池。該小組的成員之一QamarAbbas說，它能夠應(yīng)對多達(dá)100萬次充放電循環(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)陽極（負(fù)電極）已經(jīng)是碳基了。不過，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)行的測試中，一個電池中VACNT電極的能量密度達(dá)到500Wh/kg，而在另一個電池中則達(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。”

NAWA承認(rèn)與之合作的一家公司是電池制造商Saft（隸屬于法國石油巨頭Total的大型電池制造商）。Saft的客戶中有幾支一級方程式車隊(duì)，他們在賽車中使用一些電力。Saft還與歐洲大型汽車制造商PSA集團(tuán)（PSAgroup）合作，生產(chǎn)電動汽車用電池。

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，為其最新的超級電容器制造極板。NAWA的首席執(zhí)行官UlrikGrape說：“這種在鋁箔兩側(cè)生長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。第一代超級電容電池混合動力車有望于2023年投產(chǎn)。”

“混合”使儲存和動力兼得

談到開發(fā)混合動力鋰電池的初衷時(shí)，UlrikGrape說：“毫無疑問，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)，帶來最好的混合能源儲存和動力呢？”混合電池背后的理論是鋰離子電池和超級電容器的結(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，他的公司用了15年開發(fā)了一種新型超級電容器，可以供應(yīng)現(xiàn)有超級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)有超級電容器和鋰離子電池之間的鴻溝。然而，超級電容器——即使是最具創(chuàng)新性的電容器——在儲能方面仍然無法與鋰離子電池競爭。他說：“你當(dāng)然可以用超級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)了市場上獨(dú)一無二的新一代大功率超級電容器（NAWACappower）。其功率密度比現(xiàn)有超級電容器高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。

電動汽車怎么用超級電容？

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

這樣，超級電容器就非常適合承受像再生制動這樣的重負(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夒娙萜鲿ё咔罢叩囊恍┕ぷ髫?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)。

從長遠(yuǎn)看，由于超級電容器的充電次數(shù)可以超過100萬次，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。這就延長了鋰離子電池和整個能源系統(tǒng)的壽命，降低使用成本。

UlrikGrape說：“我們發(fā)現(xiàn)，通過超級電容器與電池的結(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。”

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

未來，全球率先采用這些革命性新電池的部門將是制造業(yè)，超級電容器電池是電動工具和廠自動導(dǎo)航車輛的理想選擇，用它取代鋰離子系統(tǒng)可供應(yīng)更快的充電和更長的使用壽命。此外，電網(wǎng)中的可再生能源結(jié)構(gòu)、敏感場所的不間斷電源、物聯(lián)網(wǎng)存儲解決方法，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電容器之間