鉅大LARGE | 點擊量：1196次 | 2019年02月27日
超級電容器較實際 石墨烯電池太飄渺
石墨烯電池將改變電動汽車的未來？聽起來很神是吧？事實上這一切還只是傳說。就連現實中被寄予厚望的超級電容器還困難重重呢。聽聽中國電動汽車百人會會員、中國工程院院士楊裕生怎么看儲能的未來。
什么是超級電容器？
超級電容器是一種功率型的儲能器件，通過電極材料與電解液界面形成雙電層，或電極表面快速的氧化還原反應來儲存電能。與人們熟知的普通電容器相比，在相同重量的情況下，它的電能儲存量和放電時間要大出成百上千倍，而功率只有普通電容器的約1/10。
超級電容器可以分為三類，準(贗)電容器、混合型超級電容器和雙電層電容器。雙電層電容器，正、負極均使用超高比表面活性炭，俗稱電容炭。準電容器，以金屬氧化物、導電聚合物為電極材料。其中，雙電層電容器中碳碳正、負極的有機介質電容器在目前電動汽車中最為常用。其中C/C無機體系和C/C有機體系，由于其電壓在2.7V，比能量3~6Wh/kg，比功率3~12kW/kg，循環壽命達到106次，是目前電動汽車應用的首選。
超級電容器有什么優缺點？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
其主要具備使用壽命長、充電時間短、可顯示存電量、材料無限、低溫性能良好等優點。因此，被人們在新能源汽車的應用中賦予了較大期待。
與鋰離子電池相比，其儲能的過程并不發生化學反應，所以能夠快充快放，功率高出電池十倍；低溫性能良好；循環使用壽命長達百萬次，是鋰離子電池的幾百倍。雖然價格通常要比同等蓄電量的鋰離子電池高出約10倍，但長循環壽命足以彌補價格高的問題。
但同時，超級電容器也存在重量和體積的比能量低、價格貴的缺點。目前的超級電容器充電一次只夠電動汽車行駛幾公里，每千瓦時的蓄能產品價格卻是電池的近10倍。這兩大問題是超級電容器在電動汽車應用上難以大量推廣、單獨使用的瓶頸。
超級電容器怎么用在新能源汽車中？
目前，超級電容器已經作為儲能部件應用在混合動力公交車、增程式電動公交車、燃料電池汽車、城市軌道交通、純電動汽車上。主要與其他能量部件（發動機、蓄電池、燃料電池）并聯工作，提供車輛啟動需求的高功率，承受制動能量回饋和大電流快速充電的高功率沖擊。在城市公交中也可單獨使用。
超級電容器的使用效果顯著。與傳統燃油汽車組成混合電動車時，超級電容器的使用通過回收剎車能量就可有10%至20%的節油率。但是，超級電容主要發揮的還是配角作用，如果與內燃機并聯，可減小其設計功率，減輕重量，節省油料，降低污染；如果與燃料電池并聯，則可使其適應加減速的需求；如果與各種蓄電池并聯，則可延長電池壽命，回收車輛減速時的動能，節省能源。然而，在短期內，超級電容器有其局限性，除電動公交外，它還不能作為普遍、獨立的車用儲能電源。
超級電容器技術突破難在哪里？
不斷提高性能，是超級電容器的立命之本，其中的核心技術主要包括以下三個方面。首先，如何獲得高性能、低成本炭材料將成為技術攻關的關鍵。我們總結雙電層電容器對多孔電容炭材料性能要求時，有“六高”，即高比表面、高中孔率、高電導率、高堆積比重、高純度、高性價比。這些指標間彼此相互矛盾、極難兼顧，必須精心調節優化。在超級電容器的成本中，作為精細化工產品的超高比表面活性炭占了很大部分。
其次，作為超級電容器核心技術，高電導率電解液的技術突破也同樣重要。目前，超級電容器所用電解質主要為四氟硼酸四乙基銨和甲基三乙基四氟硼酸銨材料，溶劑普遍使用乙腈，其黏度低，電導率高。但乙腈毒性較大，沸點很低易燃燒，電動車使用超級電容器中出現過燃燒等安全事故。日本等一些發達國家已禁止乙腈體系超級電容器用于電動車。目前，國內外正在加緊開發如GBL、EA、PC等的新型溶劑。
最后，超級電容器單體低內阻電極工藝與裝配技術作為超級電容器核心技術之一，目前其市場主要被美國Maxwell所占據。與其使用預制厚極片貼在涂炭鋁箔上的工藝相比，國產超級電容器多采用類似鋰離子電池的直接涂炭方法其實通用性更強，如果技術攻關取得突破，隨著產業化生產，我國有望這在方面實現超越。
石墨烯到底有沒有那么神？
社會上目前對于石墨烯超級電容器的炒作比較多，但是這與實際情況還有一定距離。理想的單層石墨烯可有2700m2/g的比表面，電導率高，似乎是雙電層電容器的優良電極材料。實際可用的石墨烯是5-10層，比表面只幾百克每平方米；它的堆積比重很小，同等體積電容器中的裝載量比活性炭少很多，電容器的重量比能量和體積比能量將進一步降低。同時，石墨烯片層邊緣的懸鍵具有高活性（不穩定性），如用作主要儲能材料，電容器的性能將逐漸衰退。相比之下，石墨烯制備價格高昂還不是主要問題。短時間內，石墨烯作為儲能材料還難以有突破性進展，而只宜作為導電添加劑，在電極中混入1%以下的用量。
超級電容器能讓電動汽車更實用更便宜嗎？
我國超級電容器2004年，上海市在國內首先建成超級電容器電動公交線路。2012年，南車時代、宇通客車等汽車廠家已將超級電容器運用在混合動力客車。然而，由于超級電容器目前存在能量密度較低的缺點，充電一次只夠電動汽車行駛幾公里，只能在設有充電站的固定公交線路上作為“單獨”電源使用，而難以在電動汽車上普遍單獨使用。
超級電容器的成本中，作為精細化工產品的超高比表面活性炭占比很大。目前，國內相關材料的生產多為間歇式生產，效率低，產品性能不穩定，高性能的電容炭主要依靠進口。而每噸30萬元至80萬元不等的進口價格，使我們想得到“更加便宜的超級電容汽車”的夢想難以實現。要“更加便宜的超級電容汽車”，就要從電容炭降價入手。
超級電容器會引發新能源汽車革命性發展嗎？
在可見的未來，超級電容器的比能量還難以取得大的突破。新的趨勢是發展“內并”的新型儲能器件。目前，在混合電容器的基礎上，出現了新的衍生產品：混合型電池電容器、電容型鋰離子電池、電容型鉛酸電池(即鉛炭電池)等。它們的優勢明顯，一方面省去并聯線路，另一方面能夠自動調整電壓、簡化管理系統，加快電池充電。降低了使用成本。其比能量遠高于電容器，比功率和壽命卻高于電池?？梢灶A料這種“內并聯”使用的模式將在電動汽車中獲得越來越多的應用。
儲能器件各有千秋，在互補借鑒中發展，在發展中競爭共存，不必刻意誰取代誰，讓市場去客觀評判，切忌“科技王婆”賣瓜。同時，隨著電動汽車的發展，超級電容器及其衍生產品的市場將快速擴大，對電容炭的需求將日益增加，國產化勢在必行，建議政府部門給電容炭研發和生產以大力支持。
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