姓名：劉哲寧
【嵌牛導(dǎo)讀】：相比于鋰電池售滤，超級電容充放電速度快收苏、效率高氏豌、循環(huán)壽命長且安全性高矗烛。這些似乎都是如今電動車推廣困局的解藥。
在鋰電池行業(yè)正享受著眾星捧月般追逐的時(shí)候箩溃，其潛在的一個(gè)對手已悄然走近瞭吃，虎視眈眈，它就是超級電容涣旨。
【嵌牛鼻子】：超級電容歪架，特斯拉
【嵌牛提問】：石墨烯將助力超級電容取代鋰電池？
【嵌牛正文】：近期霹陡，市場調(diào)研公司IDTechEx提出了一個(gè)大膽論斷——超級電容器將會摧毀鋰離子電池市場和蚪。在題為《2014-2024年的超級電容市場》報(bào)告中，IDTechEx稱烹棉，到2024年攒霹，全球超級電容器市場價(jià)值將達(dá)到65億美元，市場份額增大的同時(shí)會吞噬電池市場浆洗。
所謂超級電容催束，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣伏社，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量抠刺。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同摘昌，因此也有稱作“電容電池”速妖。
為什么有人認(rèn)為它必將取代鋰電池？主要還是從其性能考慮聪黎。相比于鋰電池罕容，超級電容充放電速度快、效率高稿饰、循環(huán)壽命長且安全性高锦秒。這些似乎都是如今電動車推廣困局的解藥。
南車株機(jī)今年5月單批量交付的世界首列超級電容100%低地板有軌電車湘纵，其采用7500F雙電層超級電容脂崔，壽命長達(dá)10年，充放電次數(shù)可達(dá)100萬次梧喷。列車每次進(jìn)站可快速充電,最大充電時(shí)間30秒,最快10秒便能完成充電砌左。
超級電容高于鋰電池的安全性能，也在近幾年的各類事件中得以彰顯铺敌。過去一年汇歹，波音、蘋果偿凭、特斯拉等公司都受困于鋰電池的安全性产弹，頻頻引發(fā)事件。專家也指出鋰電池“本性難移”，很難從技術(shù)上彌補(bǔ)其安全性短板痰哨。而利用靜電電荷存儲電能的超級電容本身就保證了其安全性能胶果。
現(xiàn)今，超級電容由于其能量密度低的短板斤斧，主要還扮演著鋰電池的配角角色早抠。但由于“萬能材料”石墨烯的應(yīng)用钦无，超級電容替代鋰電池的腳步似乎越來越近哪雕。
研究人員手持柔性全固態(tài)超級電容器演示其性能
雖然國內(nèi)外對此的爭論頗多哑子，沒有達(dá)成共識告嘲。但相比國內(nèi)對于鋰電池的高度熱情摧冀，歐美多國的做法更加平衡撵幽。以德國為例贵涵，其于2008年頒布的《德國國家電動汽車發(fā)展計(jì)劃》中就將超級電容與鋰電池的研發(fā)放在同樣相等的地位联喘。
在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化方面烘豌，美國载庭、日本、俄羅斯扇谣、瑞士昧捷、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發(fā)和技術(shù)積累罐寨，目前處于領(lǐng)先地位靡挥。如美國的 Maxwell，日本的Nec鸯绿、松下跋破、Tokin和俄羅斯的Econd公司等，這些公司目前占據(jù)著全球大部分市場瓶蝴。
其中毒返，Maxwell率先嘗到了來自中國市場的大蛋糕，據(jù)美國投行派杰（Piper Jaffray）分析師Alexander Potter稱：宇通公司目前是Maxwell的最大客戶舷手，且訂單還在加速增長拧簸。
近年來盆赤，由于看好這一領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景牺六，中國一些公司也開始積極涉足這一產(chǎn)業(yè)。但由于技術(shù)壁壘較高盗胀，2012年以前，國內(nèi)從事大容量超級電容器研發(fā)的廠家共有50多家，然而能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水平的廠家只有10多家膘侮。
不過琼了，鑒于超級電容可應(yīng)用于新能源發(fā)電晓淀、智能電網(wǎng)燥爷、新能源汽車前翎、節(jié)能建筑、工業(yè)節(jié)能減排等各個(gè)行業(yè)，不論十年后是否會替代鋰電池，它的用途都決定了它的戰(zhàn)略價(jià)值商模。
如果你有幸造訪美國加州像拉霍亞(La Jolla)這些超級富豪云集的地區(qū),或者去到像芒廷維尤(Mountain View)這些高科技公司扎堆的地方,就有機(jī)會領(lǐng)略未來响疚。
確切地說,領(lǐng)略汽車業(yè)未來银受。特斯拉咕幻、日產(chǎn)聆風(fēng)和豐田普銳斯或類似的汽車,在路面上比比皆是。電動汽車和混合動力汽車與普通燃油汽車在車流中交相輝映；許多企業(yè)、購買中心和家庭也都安裝了充電樁。
如果電動汽車廠商們果真如愿以償,這就是我們在某個(gè)時(shí)段都會置身于其中的未來;汽車廠商們正不惜投入巨資,讓這一幕成為現(xiàn)實(shí)。問題是,將小片地區(qū)的需求變成全國地區(qū)的需求有多容易?
在加州另一處,埃隆·馬斯克(Elon Musk)創(chuàng)辦的特斯拉汽車公司(Tesla Motors)最近提議計(jì)劃,在尚未披露的美國西南地區(qū)新建一家巨型電池工廠(具體廠址成了熱議話題)。這個(gè)所謂的“千兆工廠”預(yù)計(jì)造價(jià)高達(dá)50億美元,定于2020年生產(chǎn)的鋰離子電池可滿足50萬輛汽車的需求——年產(chǎn)量超過2013年全球年產(chǎn)量。
可是一些人士認(rèn)為,等到這家工廠破土開張,特斯拉的計(jì)劃到時(shí)似乎就過時(shí)了。IHS Automotive是領(lǐng)先的全球汽車業(yè)務(wù)情報(bào)提供商,該公司的高級規(guī)劃主管菲爾·戈特認(rèn)為 , 特斯拉的宏偉計(jì)劃“恐怕考慮欠周”娘侍。原因是,正在研發(fā)的新技術(shù)有望提供更出色的替代技術(shù),解決專家們所說的電動汽車面臨的最大阻礙因素之一氧腰。
電動汽車面臨的這個(gè)問題就是,電池又大又重；因而,安裝上去的電池?cái)?shù)量很有限斤富。比如說,特斯拉 Model S 的鋰電池組平鋪在汽車地板上,大概長2米、寬1.2米锻狗。在頂級配置車型中,鋰電池組提供大約300 英里(482 公里)的行駛里程,之后就需要插入充電樁充電。日產(chǎn)聆風(fēng)充一次電可以跑 80 英里(128 公里)左右焕参。除此之外,充電過程比起只需加油要慢得多轻纪。
那么,如何才能生產(chǎn)出性能更好的電池?從最基本層面來說,電池含有正負(fù)極、隔板和電解質(zhì)叠纷。許多不同類型的材料可以用作電解質(zhì),不同的材料組合讓電池可以貯存不同數(shù)量的能量刻帚。不過,要是材料發(fā)生變化,電池續(xù)航時(shí)間和安全特征也隨之變化,所以總是少不了折中辦法。鋰離子電池大行其道,但發(fā)生過鋰電池在飛機(jī)上短路起火的事件,因而攜帶受嚴(yán)格限制涩嚣。任何活性更強(qiáng)或不穩(wěn)定的電池都有安全隱患崇众。不過,如果設(shè)計(jì)出最佳的材料組合,有望獲得巨大回報(bào)。
在最近研究工作之前的數(shù)十年中,電池技術(shù)已得到了一系列改進(jìn)航厚。
最先問世的是鉛酸電池,這種電池今天仍然廣泛應(yīng)用于汽車,它們個(gè)頭龐大顷歌。接著出現(xiàn)了鎳鎘(NiCad)電池,這種可充電電池由此開啟了便攜式技術(shù)唱主角的新時(shí)代:筆記本電腦和手機(jī)等移動設(shè)備,還有我們小時(shí)候的遙控汽車。再后來出現(xiàn)了鎳氫(NiMH)電池,電池容量或能量密度大概翻了一番♂２牵現(xiàn)在,現(xiàn)代化的設(shè)備和電動汽車普遍使用鋰離子(Li-ion)電池眯漩。
展望未來,準(zhǔn)備迎接名字越來越復(fù)雜的電池技術(shù),比如鋰鎳錳鈷氧(LiNiMnCo)電池。這種材料的特性很復(fù)雜;眼下,研究人員致力于不僅搞清楚為何這些材料能工作,還要搞清楚如何工作——電子在材料中移動的基本物理原理麻顶。
丹尼爾·亞伯拉罕(Daniel Abraham)是美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家,他說:“我們阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室在研究一些材料,它們有望將電池當(dāng)前的能量密度提高一倍赦抖。我們先夢想或設(shè)想想要處理的材料,然后努力在實(shí)驗(yàn)室合成材料「ㄉ觯”
目前,備受矚目的幾種電池包括:鋰空氣電池(更確切地說是鋰氧氣電池)和鋰硫電池队萤。若能做到可以在各種條件下正常工作,鋰氧氣電池的性能有望比目前的鋰離子電池大幅提升,提高整整一個(gè)數(shù)量級。亞伯拉罕說:“ 這是當(dāng)前一個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域矫钓∫”
的確,大眾汽車公司最近暗示,它在研究鋰空氣電池舍杜。由于開發(fā)工作還沒有最終完成,大眾采用的具體的化學(xué)/材料組合還沒有透露。這家公司的工程師們甚至不愿表示這項(xiàng)技術(shù)已在汽車中進(jìn)行了測試,還是仍處在“實(shí)驗(yàn)臺”階段盈电。
不過,雖然這項(xiàng)技術(shù)有望帶來變革,但想要生產(chǎn)出工作起來持續(xù)蝴簇、可靠、安全的鋰空氣電池,還面臨一大堆技術(shù)挑戰(zhàn)匆帚。到目前為止,試驗(yàn)證明電極很不穩(wěn)定熬词。
不過世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在努力破解這個(gè)難題,試圖克服種種缺點(diǎn)。但愿更重視這些“超鋰離子”技術(shù),會確保研發(fā)過程加快,并從長遠(yuǎn)來看,確保汽車跑得更快吸重、跑得更遠(yuǎn)互拾。
