早在十多年前,超级电容取代锂电池的论调就层出不穷。随着当前电动汽车市场锂电池风生水起,不少坚持这一论调的人也开始将目光瞄向这一市场。但这个吹捧了十数年的观点,为何迟迟没有成真呢?


什么是超级电容?


超级电容器,又称电化学电容器,是近年来越来越流行的一种储能系统。它们可以被认为是类似于普通电容器和电池的混合体,但又不同于两者。


就像电池一样,超级电容器也具有由电解质隔开的正极和负极。但是,与电池不同的是,超级电容器像电容器一样以静电的方式储存能量,而不是像电池那样以化学的方式储存能量。


超级电容器也有一个介质分离器来分离电解质——就像电容器一样。这种内部的电池结构使得超级电容器具有很高的能量存储密度,特别是与普通电容器相比。


与电池相比,超级电容器确实比同样大小的电池存储的能量要少。但是,他们能够更快地释放它,因为放电不依赖于发生的化学反应。


它们的另一个好处是,它们可以多次充电而很少衰减(超过100万次的充放电循环很常见)。这是因为当电荷存储在它们内部时,不会发生物理或化学变化。


超级电容器最常用的电极材料是各种形式的碳,如活性炭、碳纤维布、碳化物衍生碳,碳气凝胶、石墨(石墨烯)和碳纳米管(CNT)。


超级电容器用于需要多次快速充放电循环而不是长期高能量密度储能的场合。此外,它们还用于汽车助推器包和动力组。




超级电容vs锂电池:万般优点难遮一丑


超级电容作为储能设备可以说是具有天生的优势,锂电池之类的主流储能形式都是由电能转化学能再转电能,存在一定的能量损失,而超级电容的充放电过程中能量自始至终为电能,充放电效率极高。由于其储能过程无化学反应,而且可逆,所以充放电寿命远高于一般的锂电池。


其次,超级电容的功率密度非常高,瞬时动态特性和扭矩表现更好,非常适合解决大型电动车的启动加速问题。而且在高功率表密度下,更容易做到大功率快充,只需短短十数秒到十分钟,就可以达到额定容量的95%以上.


在安全性上,超级电容也同样胜过锂电池一筹。因为超级电容是物理储能,即便在短路的情况下,也不会出现液体泄漏、冒烟、起火、破裂或爆炸的现象,而且充放电时温升非常小,不必担心过热的情况。而且超级电容的原材料无污染,是绿色的储能设备,可以轻易达到环保标准。


那么有了这么多优点,为何超级电容还没有取代锂电池呢?关键就在于能量密度上。储能设备的首要任务就是“储能”,如果不能存储大容量的电能,那么快充、寿命这些需求都是伪命题,或者是只能用于特定的场景。


锂电池会被淘汰? 超级电容能否取代锂电池



超级电容的能量密度并不高,甚至普遍低于10Wh/kg,这与动辄高于150Wh/kg的锂电池相比,可以说是致命的劣势。就拿上图中爱沙尼亚公司Skeleton推出的超级电容来说,其能量密度最高只有6.8Wh/kg。


不仅是质量能量密度,超级电容的体积能量密度同样低于锂电池。也就是说同等电能容量下,超级电容所需的体积和质量都要大于锂电池。对于乘用车这种结构和体积要求严格的产品来说,超级电容可以说是在第一轮就被刷了下来。


不过,这并不代表着超级电容不能在电动车市场找到一席之地,尤其是在公共交通上。


公共交通:弱化超级电容的劣势


既然在体积上没有优势,那就不妨选择体积要求较小的公共交通市场。早在2006年,上海就投入了超级电容公交车,在上下客期间充电30秒到1分钟就能跑上5公里。然而这种超级电容车虽然能耗低,但设备安装和制造成本过高,并没有广泛推广。


不仅如此,充电一次存储的能量太少,尤其是在大客流和夏天开空调的大功耗下。若要兼顾里程数的话,充电时长又很难满足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交车开两站就停下充电的情况,司机也不想因为充电耽误里程和时间。


为了解决这一问题,不少超级电容车开始采用超级电容+锂电池混用的技术。超级电容负责解决充电速度、加速扭矩和制动等问题,而锂电池则负责辅助解决续航里程问题。如果总行程距离并不长的情况下,可以只在首尾站架设充电弓。若是非得在中途充电的话,也可以在中间站架设充电功率低的充电弓,以解决充电时间问题。


锂电池会被淘汰? 超级电容能否取代锂电池


广州黄埔有轨电车1号线 / 广州黄埔发布


2020年底,全国首条超级电容+锂电池的有轨电车,广州黄埔有轨电车1号线也开始正式运营。该线路采用的超级电容单体容量达到9500法拉,上下车间隙的充电时长不到30秒,作为辅助储能的钛酸锂电池则负责紧急情况下的补偿供电。


能量密度如何突破?


虽然现阶段超级电容的能量密度不比锂电池,甚至难以超越铅酸电池,但有关的研究依然在探索从材料等角度突破这一限制。


德国慕尼黑工业大学在今年开发出一款“非对称”的超级电容器,结合化学修饰过的石墨烯材料和纳米结构的金属有机框架,其能量密度可以达到73Wh/kg,基本可以可以替代当前的铅酸电池。而且该超级电容非常稳定,在1万个周期后依然可以保持90%的容量。


锂电池会被淘汰? 超级电容能否取代锂电池


可弯曲的超级电容 / 伦敦大学学院


伦敦大学学院去年也和中国科学院联合发布了一项研究,通过带孔的石墨烯电极材料,他们将超级电容的体积能量密度提升至88.1Wh/L,而传统的铅酸电池体积能量密度通常在50至90Wh/L。运用新材料的超级电容还拥有极高的灵活度,可以弯曲180度而不影响其性能,所以也可以用于折叠手机和可穿戴产品中。


中国中车也在持续研制石墨烯超级电容,他们当前已有的60000F超级电容已经可以做到40Wh/kg的能量密度和2314W/kg的功率密度。据了解,他们不仅打算继续在能量密度上突破,更是希望做到更高的功率密度,以满足一些国防应用的要求。



正如我们所见,超级电容最适合在短时间内需要大量电能的情况下使用。就电动汽车而言,这意味着当汽车需要能量爆发时(比如在加速时),它们将比电池更好。


事实上,这正是丰田对雅力士混合动力Hybrid-R概念车所做的事。它使用超级电容器就是为了这个目的。


标致雪铁龙也开始使用超级电容器,作为其启停燃油节能系统的一部分。这依赖于更快的初始加速度。


马自达的i-ELOOP系统也使用超级电容在减速过程中存储能量。储存的能量用于发动机的启停系统。


在日常驾驶中,超级电容器还不能代替电动汽车中的电池。由于这个原因,锂电池很可能在不久的将来成为电动汽车的首选电源,直到开发出更好的替代能源。


许多人认为,随着能量回收系统在减速过程中的普及,超级电容器将变得越来越普遍。这种储存的能量可以在加速时重复使用,而不是直接从电池取电。


然而,根据这项研究,当“电力需求小于电动机的功率容量时,它们可以在混合动力汽车中代替电池;当车辆动力需求超过电机动力需求时,发动机运行满足车辆动力需求,并为超级电容器单元提供充电动力。


最近对石墨烯超级电容器的研究可能意味着电动车电池的时代可能很快就会结束。这项研究由莱斯大学和昆士兰科技大学的科学家合作完成,发表在《电源与纳米技术杂志》上。


他们研发的溶液由由两层石墨烯组成,在它们之间具有电解质层。这层薄膜很强大,能在短时间内释放大量的能量。


但这是有限制的,它毕竟是一个超级电容。这项研究的不同之处在于,他们建议在未来的电动汽车中,可以用大量的超级电容器来替代电池,以替代笨重的电池。


例如,可以将它们集成到车身面板、车顶板、地板甚至车门中。理论上,这可以为汽车提供所需的所有能量,并使其比电池驱动的电动汽车轻得多。


这种电动汽车的充电速度也比电池驱动的电动汽车快得多。但是,像所有的超级电容一样,这种解决方案仍然不能像标准电池那样储存那么多的能量。


“未来,希望即将开发的超级电容器存储比锂电池更多的能量,同时保持释放能量的能力提高10倍——这意味着汽车可以完全由超级电容器供电,”研究报告的合著者Jinzhang Liu说。


一次充满电后,这款车应该能跑500公里(310英里)——类似于汽油动力汽车,是电动汽车电流极限的两倍多。电动汽车制造商也可能对未来汽车使用超级电容器的可能性感兴趣。例如,特斯拉已经“先行一步”,最近收购了一家超级电容和电池组件制造商Maxwell。



超级电容在能量密度上的突破与石墨烯息息相关,但石墨烯目前仍然面临着大规模量产的问题,也给大能量密度的超级电容施加了桎梏。如果无法解决这一问题,超级电容目前仍然只能用于公共交通和风力发电等领域,要想替代锂电池,还有很长的一段路要走。

文章来源: 电子发烧友网 ,电动汽车观察

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