十?dāng)?shù)年未曾趕超，超級電容取代汽車鋰電池遙遙無期？

早在十多年前，超級電容取代鋰電池的論調(diào)就層出不窮。隨著當(dāng)前電動(dòng)汽車市場鋰電池風(fēng)生水起，不少堅(jiān)持這一論調(diào)的人也開始將目光瞄向這一市場。但這個(gè)吹捧了十?dāng)?shù)年的觀點(diǎn)，為何遲遲沒有成真呢？

超級電容vs鋰電池：萬般優(yōu)點(diǎn)難遮一丑

超級電容作為儲(chǔ)能設(shè)備可以說是具有天生的優(yōu)勢，鋰電池之類的主流儲(chǔ)能形式都是由電能轉(zhuǎn)化學(xué)能再轉(zhuǎn)電能，存在一定的能量損失，而超級電容的充放電過程中能量自始至終為電能，充放電效率極高。由于其儲(chǔ)能過程無化學(xué)反應(yīng)，而且可逆，所以充放電壽命遠(yuǎn)高于一般的鋰電池。

其次，超級電容的功率密度非常高，瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性和扭矩表現(xiàn)更好，非常適合解決大型電動(dòng)車的啟動(dòng)加速問題。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?dāng)?shù)秒到十分鐘，就可以達(dá)到額定容量的95%以上.

在安全性上，超級電容也同樣勝過鋰電池一籌。因?yàn)槌夒娙菔俏锢韮?chǔ)能，即便在短路的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)液體泄漏、冒煙、起火、破裂或爆炸的現(xiàn)象，而且充放電時(shí)溫升非常小，不必?fù)?dān)心過熱的情況。而且超級電容的原材料無污染，是綠色的儲(chǔ)能設(shè)備，可以輕易達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

那么有了這么多優(yōu)點(diǎn)，為何超級電容還沒有取代鋰電池呢？關(guān)鍵就在于能量密度上。儲(chǔ)能設(shè)備的首要任務(wù)就是“儲(chǔ)能”，如果不能存儲(chǔ)大容量的電能，那么快充、壽命這些需求都是偽命題，或者是只能用于特定的場景。

SkelCap超級電容 / Skeleton Technologies

超級電容的能量密度并不高，甚至普遍低于10Wh/kg，這與動(dòng)輒高于150Wh/kg的鋰電池相比，可以說是致命的劣勢。就拿上圖中愛沙尼亞公司Skeleton推出的超級電容來說，其能量密度最高只有6.8Wh/kg。

不僅是質(zhì)量能量密度，超級電容的體積能量密度同樣低于鋰電池。也就是說同等電能容量下，超級電容所需的體積和質(zhì)量都要大于鋰電池。對于乘用車這種結(jié)構(gòu)和體積要求嚴(yán)格的產(chǎn)品來說，超級電容可以說是在第一輪就被刷了下來。

不過，這并不代表著超級電容不能在電動(dòng)車市場找到一席之地，尤其是在公共交通上。

公共交通：弱化超級電容的劣勢

既然在體積上沒有優(yōu)勢，那就不妨選擇體積要求較小的公共交通市場。早在2006年，上海就投入了超級電容公交車，在上下客期間充電30秒到1分鐘就能跑上5公里。然而這種超級電容車雖然能耗低，但設(shè)備安裝和制造成本過高，并沒有廣泛推廣。

不僅如此，充電一次存儲(chǔ)的能量太少，尤其是在大客流和夏天開空調(diào)的大功耗下。若要兼顧里程數(shù)的話，充電時(shí)長又很難滿足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交車開兩站就停下充電的情況，司機(jī)也不想因?yàn)槌潆姷⒄`里程和時(shí)間。

為了解決這一問題，不少超級電容車開始采用超級電容+鋰電池混用的技術(shù)。超級電容負(fù)責(zé)解決充電速度、加速扭矩和制動(dòng)等問題，而鋰電池則負(fù)責(zé)輔助解決續(xù)航里程問題。如果總行程距離并不長的情況下，可以只在首尾站架設(shè)充電弓。若是非得在中途充電的話，也可以在中間站架設(shè)充電功率低的充電弓，以解決充電時(shí)間問題。

廣州黃埔有軌電車1號線 / 廣州黃埔發(fā)布

2020年底，全國首條超級電容+鋰電池的有軌電車，廣州黃埔有軌電車1號線也開始正式運(yùn)營。該線路采用的超級電容單體容量達(dá)到9500法拉，上下車間隙的充電時(shí)長不到30秒，作為輔助儲(chǔ)能的鈦酸鋰電池則負(fù)責(zé)緊急情況下的補(bǔ)償供電。

能量密度如何突破？

雖然現(xiàn)階段超級電容的能量密度不比鋰電池，甚至難以超越鉛酸電池，但有關(guān)的研究依然在探索從材料等角度突破這一限制。

德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)在今年開發(fā)出一款“非對稱”的超級電容器，結(jié)合化學(xué)修飾過的石墨烯材料和納米結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架，其能量密度可以達(dá)到73Wh/kg，基本可以可以替代當(dāng)前的鉛酸電池。而且該超級電容非常穩(wěn)定，在1萬個(gè)周期后依然可以保持90%的容量。

可彎曲的超級電容 / 倫敦大學(xué)學(xué)院
倫敦大學(xué)學(xué)院去年也和中國科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了一項(xiàng)研究，通過帶孔的石墨烯電極材料，他們將超級電容的體積能量密度提升至88.1Wh/L，而傳統(tǒng)的鉛酸電池體積能量密度通常在50至90Wh/L。運(yùn)用新材料的超級電容還擁有極高的靈活度，可以彎曲180度而不影響其性能，所以也可以用于折疊手機(jī)和可穿戴產(chǎn)品中。

60000F超級電容 / 中國中車

中國中車也在持續(xù)研制石墨烯超級電容，他們當(dāng)前已有的60000F超級電容已經(jīng)可以做到40Wh/kg的能量密度和2314W/kg的功率密度。據(jù)了解，他們不僅打算繼續(xù)在能量密度上突破，更是希望做到更高的功率密度，以滿足一些國防應(yīng)用的要求。

結(jié)語

超級電容在能量密度上的突破與石墨烯息息相關(guān)，但石墨烯目前仍然面臨著大規(guī)模量產(chǎn)的問題，也給大能量密度的超級電容施加了桎梏。如果無法解決這一問題，超級電容目前仍然只能用于公共交通和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，要想替代鋰電池，還有很長的一段路要走。