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      超級電容到底為啥超級?

      • 時間:2021-11-16 20:12:21
      • 作者:
      • 瀏覽:354次

      電動車車主一直深受續航里程的困擾,每次節假日都會有抱怨聲響起。

      先看續航里程憂慮的根源所在:

      傳統汽車用的汽油能量密度均值是13000 Wh/kg?,F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。不要慌,這里面還有一個能量轉換效率問題。數據顯示,純電動車的能量轉換效率均值是86%,而內燃機車只有30%。也就是說鋰電池超過八成能量都轉化為動力,汽油則做了大量“無用功”。這么折算下來,傳統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”。雖然實驗室里曾經將能量密度提高到10倍,但電池充放電幾十次就報銷了。

      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?

      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殼。這兩個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,差得就太遠了。

      但是電容有一個電池不具備的優點: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品本身相始終。

      之所以會具有這么優良的充放電壽命,是因為電容儲能是基于物理原理,不產生化學反應??梢赃@么想象:電容充電時是將電能一股腦直接倒入電容器,放電時又一股腦倒了出去;而鋰電池充電時是將電能先轉化為化學能,放電時是將化學能轉化為電能。

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

      上世紀90年代,美國超級電容器生產商EEStor用好幾年的時間將大量財力物力投向提高超級電容能量密度。當時EEStor爭取到了巨額的研發資金,還與電動汽車電機提供商ZENN公司達成了戰略合作。然而,數年研發后,多名參與此項研究的科學家最后得出了令人遺憾的結論:我們很想打破超級電容器的市場僵局,但現有技術無法實現這一目標。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持觀望態度,二十年來,超級電容器的技術進展并不是很快。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,但這項技術目前還有太大的進步空間。

      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。2010年上海世博會中曾經展示了36輛超級電容公交車,這些公交車已經穩定運營了較長時間,直到現在還在正常運營中。

      但這種技術并沒有普及到其他路線和其他城市。這還是因為能量密度低導致的“續航里程”問題。雖然充電時間大大縮短,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。

      有續航憂慮,是因為這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依然不夠高。

      全世界都在尋找介電常數更高的材料,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。

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      中國的技術努力

      近期,有報道稱,某頭部國有汽車集團的研究室在2020年發現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,介電常數高的讓人不敢相信!

      報道稱,中國的這個研發團隊開發出來的這種陶瓷片的介電常數比起全世界其他團隊高了十幾萬倍,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,由于不經過電能/化學能的轉化損耗,電能利用率高達 95%;

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

      4)安全系數高,不存在易燃易爆物質;

      5)綠色環保,無污染;

      6)超低溫特性好,溫度范圍寬 -50 ℃~+170 ℃。

      能量密度能達到普通鋰電池的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,可以順利解決電網瞬間承受問題。

      當然,很多好東西是在實驗室挺好使,實際量產就有麻煩。但是這家公司已經表示,這種黑科技有望在“十四五”期間實現產業化應用,可適用于電動汽車、可穿戴電子、高能武器系統等領域。

      今年8月24日,中科院重慶綠色智能技術研究院研究員、博士生導師、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介紹說,其研究的超級電容在高效能量收集、存儲等核心領域取得重大技術突破。

      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,制動時會產生很大的逆向電流,如果不利用回收就浪費了?!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,電容器就發揮了作用。另一方面,如果短期內需要大功率輸出,比如重型機械啟動,這時也需要用到電容器?!?/p>

      從這一報道看,劉雙翼的超級電容器技術突出的是電機的制動時的逆向電流由超級電容器儲存后,在啟動時釋放。

      國內的生產企業有哪些

      雖然整體來說研發速度并不快,但這一技術方向依舊吸引了很多企業,尤其是儲能成為大氣候之后,已經有越來越多的企業介入超級電容的研發和生產。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從事薄膜電容器和薄膜電容器用金屬化膜制造與研發的上市公司。

      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,并已經進入批量生產。

      長安汽車:公司與中國科學院山西煤炭化學研究所合作研制開發的“超級電容器電極材料中試技術”暨電容炭的研制開發項目取得重大進展,已完成中試線的安裝調試,成功制備了高品質電容炭,項目建成后有望實現電容炭的進口替代。

      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企業來看,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、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、新能源、儲能等各個領域。

      超級電容就其性質來說,更適合應用在城市公交車輛上,以及機場的擺渡車、飛機的牽引車、大型物流場站和港口的集裝箱運輸和大的物流系統站內到短運輸車輛等這些領域。不過我國超級電容目前已經到了擴大應用范圍,并進行產業化的階段。

      我國超級電容器產業市場規模由2011年的13.9億元增長至2020年的約154.9億元,年均復合增長率超過30.72%。未來受新能源電網、軌道交通、消費電子等下游應用領域快速增長帶動,預計2022年中國超級電容器市場規模有望達到200億元。


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