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十數年未曾趕超,超級電容取代汽車鋰電池遙遙無期?

E4Life ? 2021-08-24 08:34 ? 次閱讀
早在十多年前,超級電容取代鋰電池的論調就層出不窮。隨著當前電動汽車市場鋰電池風生水起,不少堅持這一論調的人也開始將目光瞄向這一市場。但這個吹捧了十數年的觀點,為何遲遲沒有成真呢?

超級電容vs鋰電池:萬般優點難遮一丑

超級電容作為儲能設備可以說是具有天生的優勢,鋰電池之類的主流儲能形式都是由電能轉化學能再轉電能,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。由于其儲能過程無化學反應,而且可逆,所以充放電壽命遠高于一般的鋰電池。

其次,超級電容的功率密度非常高,瞬時動態特性和扭矩表現更好,非常適合解決大型電動車的啟動加速問題。而且在高功率表密度下,更容易做到大功率快充,只需短短十數秒到十分鐘,就可以達到額定容量的95%以上.

在安全性上,超級電容也同樣勝過鋰電池一籌。因為超級電容是物理儲能,即便在短路的情況下,也不會出現液體泄漏、冒煙、起火、破裂或爆炸的現象,而且充放電時溫升非常小,不必擔心過熱的情況。而且超級電容的原材料無污染,是綠色的儲能設備,可以輕易達到環保標準。

那么有了這么多優點,為何超級電容還沒有取代鋰電池呢?關鍵就在于能量密度上。儲能設備的首要任務就是“儲能”,如果不能存儲大容量的電能,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量都要大于鋰電池。對于乘用車這種結構和體積要求嚴格的產品來說,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,充電一次存儲的能量太少,尤其是在大客流和夏天開空調的大功耗下。若要兼顧里程數的話,充電時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,司機也不想因為充電耽誤里程和時間。

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。超級電容負責解決充電速度、加速扭矩和制動等問題,而鋰電池則負責輔助解決續航里程問題。如果總行程距離并不長的情況下,可以只在首尾站架設充電弓。若是非得在中途充電的話,也可以在中間站架設充電功率低的充電弓,以解決充電時間問題。

廣州黃埔有軌電車1號線 / 廣州黃埔發布

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號線也開始正式運營。該線路采用的超級電容單體容量達到9500法拉,上下車間隙的充電時長不到30秒,作為輔助儲能的鈦酸鋰電池則負責緊急情況下的補償供電。

能量密度如何突破?

雖然現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。

德國慕尼黑工業大學在今年開發出一款“非對稱”的超級電容器,結合化學修飾過的石墨烯材料和納米結構的金屬有機框架,其能量密度可以達到73Wh/kg,基本可以可以替代當前的鉛酸電池。而且該超級電容非常穩定,在1萬個周期后依然可以保持90%的容量。

可彎曲的超級電容 / 倫敦大學學院
倫敦大學學院去年也和中國科學院聯合發布了一項研究,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,而傳統的鉛酸電池體積能量密度通常在50至90Wh/L。運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和可穿戴產品中。

60000F超級電容 / 中國中車

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

結語

超級電容在能量密度上的突破與石墨烯息息相關,但石墨烯目前仍然面臨著大規模量產的問題,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力發電等領域,要想替代鋰電池,還有很長的一段路要走。
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