姓名：劉哲寧
【嵌牛導(dǎo)讀】：相比于鋰電池，超級電容充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長且安全性高。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候，其潛在的一個對手已悄然走近，虎視眈眈，它就是超級電容。
【嵌牛鼻子】：超級電容，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，市場調(diào)研公司IDTechEx提出了一個大膽論斷——超級電容器將會摧毀鋰離子電池市場。在題為《2014-2024年的超級電容市場》報告中，IDTechEx稱，到2024年，全球超級電容器市場價值將達(dá)到65億美元，市場份額增大的同時會吞噬電池市場。
所謂超級電容，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，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。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。
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。相比于鋰電池，超級電容充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長且安全性高。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，其采用7500F雙電層超級電容，壽命長達(dá)10年，充放電次數(shù)可達(dá)100萬次。列車每次進(jìn)站可快速充電,最大充電時間30秒,最快10秒便能完成充電。
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。過去一年，波音、蘋果、特斯拉等公司都受困于鋰電池的安全性，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)上彌補其安全性短板。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。
現(xiàn)今，超級電容由于其能量密度低的短板，主要還扮演著鋰電池的配角角色。但由于“萬能材料”石墨烯的應(yīng)用，超級電容替代鋰電池的腳步似乎越來越近。
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，沒有達(dá)成共識。但相比國內(nèi)對于鋰電池的高度熱情，歐美多國的做法更加平衡。以德國為例，其于2008年頒布的《德國國家電動汽車發(fā)展計劃》中就將超級電容與鋰電池的研發(fā)放在同樣相等的地位。
在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化方面，美國、日本、俄羅斯、瑞士、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，目前處于領(lǐng)先地位。如美國的 Maxwell，日本的Nec、松下、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。
其中，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，且訂單還在加速增長。
近年來，由于看好這一領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，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，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)到實用化水平的廠家只有10多家。
不過，鑒于超級電容可應(yīng)用于新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、新能源汽車、節(jié)能建筑、工業(yè)節(jié)能減排等各個行業(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)略價值。
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。
確切地說,領(lǐng)略汽車業(yè)未來。特斯拉、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,這就是我們在某個時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。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)。這個所謂的“千兆工廠”預(yù)計造價高達(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,特斯拉的計劃到時似乎就過時了。IHS Automotive是領(lǐng)先的全球汽車業(yè)務(wù)情報提供商,該公司的高級規(guī)劃主管菲爾·戈特認(rèn)為 , 特斯拉的宏偉計劃“恐怕考慮欠周”。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。
電動汽車面臨的這個問題就是,電池又大又重；因而,安裝上去的電池數(shù)量很有限。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。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。除此之外,充電過程比起只需加油要慢得多。
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)。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。不過,要是材料發(fā)生變化,電池續(xù)航時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。任何活性更強(qiáng)或不穩(wěn)定的電池都有安全隱患。不過,如果設(shè)計出最佳的材料組合,有望獲得巨大回報。
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)。
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,它們個頭龐大。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)唱主角的新時代:筆記本電腦和手機(jī)等移動設(shè)備,還有我們小時候的遙控汽車。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?，F(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。
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。
丹尼爾·亞伯拉罕(Daniel Abraham)是美國阿爾貢國家實驗室的材料科學(xué)家,他說:“我們阿爾貢國家實驗室在研究一些材料,它們有望將電池當(dāng)前的能量密度提高一倍。我們先夢想或設(shè)想想要處理的材料,然后努力在實驗室合成材料?！?/p>
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。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,提高整整一個數(shù)量級。亞伯拉罕說:“ 這是當(dāng)前一個非常熱門的研究領(lǐng)域?！?/p>
的確,大眾汽車公司最近暗示,它在研究鋰空氣電池。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技術(shù)已在汽車中進(jìn)行了測試,還是仍處在“實驗臺”階段。
不過,雖然這項技術(shù)有望帶來變革,但想要生產(chǎn)出工作起來持續(xù)、可靠、安全的鋰空氣電池,還面臨一大堆技術(shù)挑戰(zhàn)。到目前為止,試驗證明電極很不穩(wěn)定。
不過世界各地的實驗室正在努力破解這個難題,試圖克服種種缺點。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、跑得更遠(yuǎn)。
