早在十多年前，超級(jí)電容取代鋰電池的論調(diào)就層出不窮。隨著當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)鋰電池風(fēng)生水起，不少堅(jiān)持這一論調(diào)的人也開(kāi)始將目光瞄向這一市場(chǎng)。但這個(gè)吹捧了十?dāng)?shù)年的觀點(diǎn)，為何遲遲沒(méi)有成真呢？

什么是超級(jí)電容？

超級(jí)電容器，又稱電化學(xué)電容器，是近年來(lái)越來(lái)越流行的一種儲(chǔ)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(jí)電容器也具有由電解質(zhì)隔開(kāi)的正極和負(fù)極。但是，與電池不同的是，超級(jí)電容器像電容器一樣以靜電的方式儲(chǔ)存能量，而不是像電池那樣以化學(xué)的方式儲(chǔ)存能量。

超級(jí)電容器也有一個(gè)介質(zhì)分離器來(lái)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(jí)電容器具有很高的能量存儲(chǔ)密度，特別是與普通電容器相比。

與電池相比，超級(jí)電容器確實(shí)比同樣大小的電池存儲(chǔ)的能量要少。但是，他們能夠更快地釋放它，因?yàn)榉烹姴灰蕾囉诎l(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

它們的另一個(gè)好處是，它們可以多次充電而很少衰減(超過(guò)100萬(wàn)次的充放電循環(huán)很常見(jiàn))。這是因?yàn)楫?dāng)電荷存儲(chǔ)在它們內(nèi)部時(shí)，不會(huì)發(fā)生物理或化學(xué)變化。

超級(jí)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(jí)電容器用于需要多次快速充放電循環(huán)而不是長(zhǎng)期高能量密度儲(chǔ)能的場(chǎng)合。此外，它們還用于汽車(chē)助推器包和動(dòng)力組。

超級(jí)電容vs鋰電池：萬(wàn)般優(yōu)點(diǎn)難遮一丑

超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備可以說(shuō)是具有天生的優(yōu)勢(shì)，鋰電池之類的主流儲(chǔ)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(jí)電容的充放電過(guò)程中能量自始至終為電能，充放電效率極高。由于其儲(chǔ)能過(guò)程無(wú)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(jí)電容的功率密度非常高，瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性和扭矩表現(xiàn)更好，非常適合解決大型電動(dòng)車(chē)的啟動(dòng)加速問(wèn)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(jí)電容也同樣勝過(guò)鋰電池一籌。因?yàn)槌?jí)電容是物理儲(chǔ)能，即便在短路的情況下，也不會(huì)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(shí)溫升非常小，不必?fù)?dān)心過(guò)熱的情況。而且超級(jí)電容的原材料無(wú)污染，是綠色的儲(chǔ)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(diǎn)，為何超級(jí)電容還沒(méi)有取代鋰電池呢？關(guān)鍵就在于能量密度上。儲(chǔ)能設(shè)備的首要任務(wù)就是“儲(chǔ)能”，如果不能存儲(chǔ)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(chǎng)景。

超級(jí)電容的能量密度并不高，甚至普遍低于10Wh/kg，這與動(dòng)輒高于150Wh/kg的鋰電池相比，可以說(shuō)是致命的劣勢(shì)。就拿上圖中愛(ài)沙尼亞公司Skeleton推出的超級(jí)電容來(lái)說(shuō)，其能量密度最高只有6.8Wh/kg。

不僅是質(zhì)量能量密度，超級(jí)電容的體積能量密度同樣低于鋰電池。也就是說(shuō)同等電能容量下，超級(jí)電容所需的體積和質(zhì)量都要大于鋰電池。對(duì)于乘用車(chē)這種結(jié)構(gòu)和體積要求嚴(yán)格的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容可以說(shuō)是在第一輪就被刷了下來(lái)。

不過(guò)，這并不代表著超級(jí)電容不能在電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)找到一席之地，尤其是在公共交通上。

公共交通：弱化超級(jí)電容的劣勢(shì)

既然在體積上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，那就不妨選擇體積要求較小的公共交通市場(chǎng)。早在2006年，上海就投入了超級(jí)電容公交車(chē)，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(jí)電容車(chē)雖然能耗低，但設(shè)備安裝和制造成本過(guò)高，并沒(méi)有廣泛推廣。

不僅如此，充電一次存儲(chǔ)的能量太少，尤其是在大客流和夏天開(kāi)空調(diào)的大功耗下。若要兼顧里程數(shù)的話，充電時(shí)長(zhǎng)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(chē)開(kāi)兩站就停下充電的情況，司機(jī)也不想因?yàn)槌潆姷⒄`里程和時(shí)間。

為了解決這一問(wèn)題，不少超級(jí)電容車(chē)開(kāi)始采用超級(jí)電容+鋰電池混用的技術(shù)。超級(jí)電容負(fù)責(zé)解決充電速度、加速扭矩和制動(dòng)等問(wèn)題，而鋰電池則負(fù)責(zé)輔助解決續(xù)航里程問(wèn)題。如果總行程距離并不長(zhǎng)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(shí)間問(wèn)題。

廣州黃埔有軌電車(chē)1號(hào)線/廣州黃埔發(fā)布

2020年底，全國(guó)首條超級(jí)電容+鋰電池的有軌電車(chē)，廣州黃埔有軌電車(chē)1號(hào)線也開(kāi)始正式運(yùn)營(yíng)。該線路采用的超級(jí)電容單體容量達(dá)到9500法拉，上下車(chē)間隙的充電時(shí)長(zhǎng)不到30秒，作為輔助儲(chǔ)能的鈦酸鋰電池則負(fù)責(zé)緊急情況下的補(bǔ)償供電。

能量密度如何突破？

雖然現(xiàn)階段超級(jí)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(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)在今年開(kāi)發(fā)出一款“非對(duì)稱”的超級(jí)電容器，結(jié)合化學(xué)修飾過(guò)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(jí)電容非常穩(wěn)定，在1萬(wàn)個(gè)周期后依然可以保持90%的容量。

可彎曲的超級(jí)電容/倫敦大學(xué)學(xué)院

倫敦大學(xué)學(xué)院去年也和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了一項(xiàng)研究，通過(guò)帶孔的石墨烯電極材料，他們將超級(jí)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(yùn)用新材料的超級(jí)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(guó)中車(chē)也在持續(xù)研制石墨烯超級(jí)電容，他們當(dāng)前已有的60000F超級(jí)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(jiàn)，超級(jí)電容最適合在短時(shí)間內(nèi)需要大量電能的情況下使用。就電動(dòng)汽車(chē)而言，這意味著當(dāng)汽車(chē)需要能量爆發(fā)時(shí)(比如在加速時(shí))，它們將比電池更好。

事實(shí)上，這正是豐田對(duì)雅力士混合動(dòng)力Hybrid-R概念車(chē)所做的事。它使用超級(jí)電容器就是為了這個(gè)目的。

標(biāo)致雪鐵龍也開(kāi)始使用超級(jí)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(jí)電容在減速過(guò)程中存儲(chǔ)能量。儲(chǔ)存的能量用于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停系統(tǒng)。

在日常駕駛中，超級(jí)電容器還不能代替電動(dòng)汽車(chē)中的電池。由于這個(gè)原因，鋰電池很可能在不久的將來(lái)成為電動(dòng)汽車(chē)的首選電源，直到開(kāi)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(guò)程中的普及，超級(jí)電容器將變得越來(lái)越普遍。這種儲(chǔ)存的能量可以在加速時(shí)重復(fù)使用，而不是直接從電池取電。

然而，根據(jù)這項(xiàng)研究，當(dāng)“電力需求小于電動(dòng)機(jī)的功率容量時(shí)，它們可以在混合動(dòng)力汽車(chē)中代替電池；當(dāng)車(chē)輛動(dòng)力需求超過(guò)電機(jī)動(dòng)力需求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行滿足車(chē)輛動(dòng)力需求，并為超級(jí)電容器單元提供充電動(dòng)力。

最近對(duì)石墨烯超級(jí)電容器的研究可能意味著電動(dòng)車(chē)電池的時(shí)代可能很快就會(huì)結(jié)束。這項(xiàng)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(shí)間內(nèi)釋放大量的能量。

但這是有限制的，它畢竟是一個(gè)超級(jí)電容。這項(xiàng)研究的不同之處在于，他們建議在未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)中，可以用大量的超級(jí)電容器來(lái)替代電池，以替代笨重的電池。

例如，可以將它們集成到車(chē)身面板、車(chē)頂板、地板甚至車(chē)門(mén)中。理論上，這可以為汽車(chē)提供所需的所有能量，并使其比電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)輕得多。

這種電動(dòng)汽車(chē)的充電速度也比電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)快得多。但是，像所有的超級(jí)電容一樣，這種解決方案仍然不能像標(biāo)準(zhǔn)電池那樣儲(chǔ)存那么多的能量。

“未來(lái)，希望即將開(kāi)發(fā)的超級(jí)電容器存儲(chǔ)比鋰電池更多的能量，同時(shí)保持釋放能量的能力提高10倍——這意味著汽車(chē)可以完全由超級(jí)電容器供電，”研究報(bào)告的合著者JinzhangLiu說(shuō)。

一次充滿電后，這款車(chē)應(yīng)該能跑500公里(310英里)——類似于汽油動(dòng)力汽車(chē)，是電動(dòng)汽車(chē)電流極限的兩倍多。電動(dòng)汽車(chē)制造商也可能對(duì)未來(lái)汽車(chē)使用超級(jí)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(gòu)了一家超級(jí)電容和電池組件制造商Maxwell。

超級(jí)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(wèn)題，也給大能量密度的超級(jí)電容施加了桎梏。如果無(wú)法解決這一問(wèn)題，超級(jí)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(zhǎng)的一段路要走。電子發(fā)燒友網(wǎng)，電動(dòng)汽車(chē)觀察