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      超级电容到底为啥超级?

      • 时间:2021-11-16 20:12:21
      • 作者:
      • 浏览:358次

      电动车车主一直深受续航里程的困扰,每次节假日都会有抱怨声响起。

      先看续航里程忧虑的根源所在:

      传统汽车用的汽油能量密度均值是13000 Wh/kg。现在主流锂电池的能量密度在200-300Wh/kg,即使按最高300算,也跟汽油差得不是一星半点。不要慌,这里面还有一个能量转换效率问题。数据显示,纯电动车的能量转换效率均值是86%,而内燃机车只有30%。也就是说锂电池超过八成能量都转化为动力,汽油则做了大量“无用功”。这么折算下来,传统汽车可用的能量密度比锂电池高15倍。

      但是锂电池要提高能量密度到15倍,是“不可能的任务”。虽然实验室里曾经将能量密度提高到10倍,但电池充放电几十次就报销了。

      那么有可能有没有将能量密度提高到适中的程度,还能保持理想的充放电次数?

      电容是最基本的电子元器件之一,简单来说两层金属箔片夹着一层绝缘片,外面再加上一层?;た?。这两个箔片之间就是储存电能的空间。电容是作为瞬间供电使用,所以存储的电能也不多,能量密度和电池比,差得就太远了。

      但是电容有一个电池不具备的优点:充放电寿命超长,10 万次毫无压力,甚至充放电几十万次,性能衰减都很小。所以它的寿命基本和产品本身相始终。

      之所以会具有这么优良的充放电寿命,是因为电容储能是基于物理原理,不产生化学反应??梢哉饷聪胂螅旱缛莩涞缡笔墙缒芤还赡灾苯拥谷氲缛萜?,放电时又一股脑倒了出去;而锂电池充电时是将电能先转化为化学能,放电时是将化学能转化为电能。

      既然有这样的优势,就不放扩大其电能储存量。这就是超级电容。即将电容器做成一个储存器,而不仅仅瞬间供电。但面临的最大难关就是如何提升超级电容能量密度。

      上世纪90年代,美国超级电容器生产商EEStor用好几年的时间将大量财力物力投向提高超级电容能量密度。当时EEStor争取到了巨额的研发资金,还与电动汽车电机提供商ZENN公司达成了战略合作。然而,数年研发后,多名参与此项研究的科学家最后得出了令人遗憾的结论:我们很想打破超级电容器的市场僵局,但现有技术无法实现这一目标。EEStor以失败告终。

      它的失败也使得很多资本对超级电容器的研发持观望态度,二十年来,超级电容器的技术进展并不是很快。尽管超级电容器的制作成本每年都在以低于10%的比例减少,但这项技术目前还有太大的进步空间。

      超级电容提升能量密度后可以做电动汽车动力源,我国早就开始利用这一技术。2010年上海世博会中曾经展示了36辆超级电容公交车,这些公交车已经稳定运营了较长时间,直到现在还在正常运营中。

      但这种技术并没有普及到其他路线和其他城市。这还是因为能量密度低导致的“续航里程”问题。虽然充电时间大大缩短,充电一次只需几分钟,但只能维持大约 40 公里的路程。在最初使用中,公交车甚至每停一站就需要充一次电。

      有续航忧虑,是因为这些超级电容的能量密度甚至还不如锂电池,最根本的原因是,超级电容里的碳系材料的介电常数依然不够高。

      全世界都在寻找介电常数更高的材料,也就是那一层绝缘片的合适材料。那一层绝缘片的介电常数越高、越薄、本身耐压越高,那么电容的容量就可以越大,也就是能量密度就越高。

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      中国的技术努力

      近期,有报道称,某头部国有汽车集团的研究室在2020年发现了一种全新的陶瓷材料——钛酸铷功能陶瓷。这种材料和其他任何人类已知材料比起来,介电常数高的让人不敢相信!

      报道称,中国的这个研发团队开发出来的这种陶瓷片的介电常数比起全世界其他团队高了十几万倍,而且他们用这种全新的材料造出了超级电容。

      这一超级电容有如下优势:

      1)能量密度是普通锂电池的 5~10 倍;

      2)充电速度快,由于不经过电能/化学能的转化损耗,电能利用率高达 95%;

      3)循环使用寿命长,10~50 万次的充电循环,使用寿命≥ 10 年;

      4)安全系数高,不存在易燃易爆物质;

      5)绿色环保,无污染;

      6)超低温特性好,温度范围宽 -50 ℃~+170 ℃。

      能量密度能达到普通锂电池的5到10倍,那就是说不仅是充电快,一次充电起码能跑2500到5000 公里,续航里程的烦恼一扫而空。而且它的作用还不止于做动力电池,这么强大的能量密度,这么高的“耐压度”,做“缓冲储能站”也是很合适的,可以顺利解决电网瞬间承受问题。

      当然,很多好东西是在实验室挺好使,实际量产就有麻烦。但是这家公司已经表示,这种黑科技有望在“十四五”期间实现产业化应用,可适用于电动汽车、可穿戴电子、高能武器系统等领域。

      今年8月24日,中科院重庆绿色智能技术研究院研究员、博士生导师、重庆中科超容科技有限公司董事长刘双翼在接受媒体采访时介绍说,其研究的超级电容在高效能量收集、存储等核心领域取得重大技术突破。

      刘双翼介绍说:“很多用电器件,比如汽车或者重型卡车,如果它有电机,制动时会产生很大的逆向电流,如果不利用回收就浪费了?!薄叭绻颜獠糠值缌骰厥盏酱娲⑵骷锩娲⑵鹄?,下次再用,会更加节能、增加电效率。如果电流特别大,就需要功率特别好的储能器件来回收,电容器就发挥了作用。另一方面,如果短期内需要大功率输出,比如重型机械启动,这时也需要用到电容器?!?/p>

      从这一报道看,刘双翼的超级电容器技术突出的是电机的制动时的逆向电流由超级电容器储存后,在启动时释放。

      国内的生产企业有哪些

      虽然整体来说研发速度并不快,但这一技术方向依旧吸引了很多企业,尤其是储能成为大气候之后,已经有越来越多的企业介入超级电容的研发和生产。目前,超级电容概念龙头上市公司有如下:

      法拉电子:厦门法拉电子股份有限公司是一家专业从事薄膜电容器和薄膜电容器用金属化膜制造与研发的上市公司。

      美锦能源:美锦能源是超级电容器制造“元老”。在2019年,美锦能源推出了“超级电容炭”这一研究成果,并已经进入批量生产。

      长安汽车:公司与中国科学院山西煤炭化学研究所合作研制开发的“超级电容器电极材料中试技术”暨电容炭的研制开发项目取得重大进展,已完成中试线的安装调试,成功制备了高品质电容炭,项目建成后有望实现电容炭的进口替代。

      ST金刚:2020年2月21日公司在互动平台表示,公司已获“一种双电层超级电容器的制备方法”的专利,专利号为200910309908X。

      从超级电容材料生产企业来看,还有如下公司:

      元力股份、江海股份、铜峰电子、振华科技、安凯客车、东方钽业、凯恩股份、思源电气、江苏国泰等。这些公司都在深度布局超级电容,客户遍布工业、新能源、储能等各个领域。

      超级电容就其性质来说,更适合应用在城市公交车辆上,以及机场的摆渡车、飞机的牵引车、大型物流场站和港口的集装箱运输和大的物流系统站内到短运输车辆等这些领域。不过我国超级电容目前已经到了扩大应用范围,并进行产业化的阶段。

      我国超级电容器产业市场规模由2011年的13.9亿元增长至2020年的约154.9亿元,年均复合增长率超过30.72%。未来受新能源电网、轨道交通、消费电子等下游应用领域快速增长带动,预计2022年中国超级电容器市场规模有望达到200亿元。


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