超級電容到底為啥超級？

電動車車主一直深受續(xù)航里程的困擾，每次節(jié)假日都會有抱怨聲響起。

先看續(xù)航里程憂慮的根源所在：

傳統(tǒng)汽車用的汽油能量密度均值是13000 Wh/kg?，F(xiàn)在主流鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg，即使按最高300算，也跟汽油差得不是一星半點(diǎn)。不要慌，這里面還有一個(gè)能量轉(zhuǎn)換效率問題。數(shù)據(jù)顯示，純電動車的能量轉(zhuǎn)換效率均值是86%，而內(nèi)燃機(jī)車只有30%。也就是說鋰電池超過八成能量都轉(zhuǎn)化為動力，汽油則做了大量“無用功”。這么折算下來，傳統(tǒng)汽車可用的能量密度比鋰電池高15倍。

但是鋰電池要提高能量密度到15倍，是“不可能的任務(wù)”。雖然實(shí)驗(yàn)室里曾經(jīng)將能量密度提高到10倍，但電池充放電幾十次就報(bào)銷了。

那么有可能有沒有將能量密度提高到適中的程度，還能保持理想的充放電次數(shù)?

電容是最基本的電子元器件之一，簡單來說兩層金屬箔片夾著一層絕緣片，外面再加上一層保護(hù)殼。這兩個(gè)箔片之間就是儲存電能的空間。電容是作為瞬間供電使用，所以存儲的電能也不多，能量密度和電池比，差得就太遠(yuǎn)了。

但是電容有一個(gè)電池不具備的優(yōu)點(diǎn)：充放電壽命超長，10 萬次毫無壓力，甚至充放電幾十萬次，性能衰減都很小。所以它的壽命基本和產(chǎn)品本身相始終。

之所以會具有這么優(yōu)良的充放電壽命，是因?yàn)殡娙輧δ苁腔谖锢碓恚划a(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)?？梢赃@么想象：電容充電時(shí)是將電能一股腦直接倒入電容器，放電時(shí)又一股腦倒了出去;而鋰電池充電時(shí)是將電能先轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時(shí)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

既然有這樣的優(yōu)勢，就不放擴(kuò)大其電能儲存量。這就是超級電容。即將電容器做成一個(gè)儲存器，而不僅僅瞬間供電。但面臨的最大難關(guān)就是如何提升超級電容能量密度。

上世紀(jì)90年代，美國超級電容器生產(chǎn)商EEStor用好幾年的時(shí)間將大量財(cái)力物力投向提高超級電容能量密度。當(dāng)時(shí)EEStor爭取到了巨額的研發(fā)資金，還與電動汽車電機(jī)提供商ZENN公司達(dá)成了戰(zhàn)略合作。然而，數(shù)年研發(fā)后，多名參與此項(xiàng)研究的科學(xué)家最后得出了令人遺憾的結(jié)論：我們很想打破超級電容器的市場僵局，但現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。EEStor以失敗告終。

它的失敗也使得很多資本對超級電容器的研發(fā)持觀望態(tài)度，二十年來，超級電容器的技術(shù)進(jìn)展并不是很快。盡管超級電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少，但這項(xiàng)技術(shù)目前還有太大的進(jìn)步空間。

超級電容提升能量密度后可以做電動汽車動力源，我國早就開始利用這一技術(shù)。2010年上海世博會中曾經(jīng)展示了36輛超級電容公交車，這些公交車已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)營了較長時(shí)間，直到現(xiàn)在還在正常運(yùn)營中。

但這種技術(shù)并沒有普及到其他路線和其他城市。這還是因?yàn)槟芰棵芏鹊蛯?dǎo)致的“續(xù)航里程”問題。雖然充電時(shí)間大大縮短，充電一次只需幾分鐘，但只能維持大約 40 公里的路程。在最初使用中，公交車甚至每停一站就需要充一次電。

有續(xù)航憂慮，是因?yàn)檫@些超級電容的能量密度甚至還不如鋰電池，最根本的原因是，超級電容里的碳系材料的介電常數(shù)依然不夠高。

全世界都在尋找介電常數(shù)更高的材料，也就是那一層絕緣片的合適材料。那一層絕緣片的介電常數(shù)越高、越薄、本身耐壓越高，那么電容的容量就可以越大，也就是能量密度就越高。

中國的技術(shù)努力

近期，有報(bào)道稱，某頭部國有汽車集團(tuán)的研究室在2020年發(fā)現(xiàn)了一種全新的陶瓷材料——鈦酸銣功能陶瓷。這種材料和其他任何人類已知材料比起來，介電常數(shù)高的讓人不敢相信!

報(bào)道稱，中國的這個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出來的這種陶瓷片的介電常數(shù)比起全世界其他團(tuán)隊(duì)高了十幾萬倍，而且他們用這種全新的材料造出了超級電容。

這一超級電容有如下優(yōu)勢：

1)能量密度是普通鋰電池的 5~10 倍;

2)充電速度快，由于不經(jīng)過電能/化學(xué)能的轉(zhuǎn)化損耗，電能利用率高達(dá) 95%;

3)循環(huán)使用壽命長，10~50 萬次的充電循環(huán)，使用壽命≥ 10 年;

4)安全系數(shù)高，不存在易燃易爆物質(zhì);

5)綠色環(huán)保，無污染;

6)超低溫特性好，溫度范圍寬 -50 ℃～+170 ℃。

能量密度能達(dá)到普通鋰電池的5到10倍，那就是說不僅是充電快，一次充電起碼能跑2500到5000 公里，續(xù)航里程的煩惱一掃而空。而且它的作用還不止于做動力電池，這么強(qiáng)大的能量密度，這么高的“耐壓度”，做“緩沖儲能站”也是很合適的，可以順利解決電網(wǎng)瞬間承受問題。

當(dāng)然，很多好東西是在實(shí)驗(yàn)室挺好使，實(shí)際量產(chǎn)就有麻煩。但是這家公司已經(jīng)表示，這種黑科技有望在“十四五”期間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可適用于電動汽車、可穿戴電子、高能武器系統(tǒng)等領(lǐng)域。

今年8月24日，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院研究員、博士生導(dǎo)師、重慶中科超容科技有限公司董事長劉雙翼在接受媒體采訪時(shí)介紹說，其研究的超級電容在高效能量收集、存儲等核心領(lǐng)域取得重大技術(shù)突破。

劉雙翼介紹說：“很多用電器件，比如汽車或者重型卡車，如果它有電機(jī)，制動時(shí)會產(chǎn)生很大的逆向電流，如果不利用回收就浪費(fèi)了?！薄叭绻堰@部分電流回收到存儲器件里面儲起來，下次再用，會更加節(jié)能、增加電效率。如果電流特別大，就需要功率特別好的儲能器件來回收，電容器就發(fā)揮了作用。另一方面，如果短期內(nèi)需要大功率輸出，比如重型機(jī)械啟動，這時(shí)也需要用到電容器?！?/p>

從這一報(bào)道看，劉雙翼的超級電容器技術(shù)突出的是電機(jī)的制動時(shí)的逆向電流由超級電容器儲存后，在啟動時(shí)釋放。

國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)有哪些

雖然整體來說研發(fā)速度并不快，但這一技術(shù)方向依舊吸引了很多企業(yè)，尤其是儲能成為大氣候之后，已經(jīng)有越來越多的企業(yè)介入超級電容的研發(fā)和生產(chǎn)。目前，超級電容概念龍頭上市公司有如下：

法拉電子：廈門法拉電子股份有限公司是一家專業(yè)從事薄膜電容器和薄膜電容器用金屬化膜制造與研發(fā)的上市公司。

美錦能源：美錦能源是超級電容器制造“元老”。在2019年，美錦能源推出了“超級電容炭”這一研究成果，并已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)。

長安汽車：公司與中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所合作研制開發(fā)的“超級電容器電極材料中試技術(shù)”暨電容炭的研制開發(fā)項(xiàng)目取得重大進(jìn)展，已完成中試線的安裝調(diào)試，成功制備了高品質(zhì)電容炭，項(xiàng)目建成后有望實(shí)現(xiàn)電容炭的進(jìn)口替代。

ST金剛：2020年2月21日公司在互動平臺表示，公司已獲“一種雙電層超級電容器的制備方法”的專利，專利號為200910309908X。

從超級電容材料生產(chǎn)企業(yè)來看，還有如下公司：

元力股份、江海股份、銅峰電子、振華科技、安凱客車、東方鉭業(yè)、凱恩股份、思源電氣、江蘇國泰等。這些公司都在深度布局超級電容，客戶遍布工業(yè)、新能源、儲能等各個(gè)領(lǐng)域。

超級電容就其性質(zhì)來說，更適合應(yīng)用在城市公交車輛上，以及機(jī)場的擺渡車、飛機(jī)的牽引車、大型物流場站和港口的集裝箱運(yùn)輸和大的物流系統(tǒng)站內(nèi)到短運(yùn)輸車輛等這些領(lǐng)域。不過我國超級電容目前已經(jīng)到了擴(kuò)大應(yīng)用范圍，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的階段。

我國超級電容器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模由2011年的13.9億元增長至2020年的約154.9億元，年均復(fù)合增長率超過30.72%。未來受新能源電網(wǎng)、軌道交通、消費(fèi)電子等下游應(yīng)用領(lǐng)域快速增長帶動，預(yù)計(jì)2022年中國超級電容器市場規(guī)模有望達(dá)到200億元。