鋰電池和超級電容器之間的競爭

鋰電池和超級電容器之間，這不是一個有關賽跑的故事，電力混合，這是有關合作的故事

“當你把兔子和烏龜雜交時，你會得到什么？”

這是最近《經濟學人》雜志的一篇題為《兔子和烏龜》中引用的法國超級電容器廠商NAWATechnologies首席執行官UlrikGrape的話，為的是說明鋰電池和超級電容器之間電力混合的好處。他說：“最好的策略是，當道路平坦時，兔子騎烏龜，而在道路條件差時，烏龜騎兔子。這不是一個有關賽跑的故事，而是有關合作的故事。”

（來源：TechSugar；ID：TechSugar；作者：立厷）

龜兔合作跑的更遠

安全性、可持續性和可回收性，以及要稀有材料（如鈷）是當今鋰電池技術的重要缺點。在尋找可替代的電化學儲能系統用于電動車和儲存可再生能源的過程中，電池和電容器結合的“混合超級電容器”開始引人關注。

市場分析表明，目前超級電容器的應用場景越來越多，正在迅速取代電池用于儲能。隨著汽車和IT應用的發展，可再生能源越來越受歡迎，電網儲能極具發展潛力。長期以來，儲能一直是可再生能源發展的薄弱環節。隨著科技初創公司和更多的超級電容器供應商開始進一步利用潛在能源，可再生能源的回收、儲存和管理將展現良好的發展前景。

當然，人們還是希望超級電容器能夠在當前迫切要快速充放電、高充電循環，以及極端溫度下高效工作、高功率、高可靠和安全等方面發揮更大的用途，比如電動車應用。最近，網上也在討論超級電容和大功率鋰電池哪個更適合混合動力汽車的問題。

網友提問

看看網友怎么樣說：

網友A

“重要看你的車準備跑多遠了，超級電容容量有限，跑跑就要充電。”

網友B

“就目前看，超級電容器密度還是不及鋰電，而且鋰電的密度在迅速提高。”

網友C

“最好是兩者都用，達到互補的目的”；“兩者是不矛盾的，可以結合使用。汽車在啟動、加速和制動的時候，用超級電容器吸放能量節能很多。電動車應用超級電容器不僅是用其能量密度，其快充快放性能也很有用。”

網友D

“目前來講，超級電容和鋰電結合是最可能快速執行的思路。一旦技術成熟，則成本問題應該不大。”

網友E

“二者性能不同，超級電容可以大電流放電，高功率，但容量小，因此適于啟動、加速等高功率情況。鋰電池倍率放電性能差一些，但容量大，因此適于長距離行駛。雖然功率型鋰電池的倍率放電性能較好，但與超級電容相比，還是差一些。”

……

什么是超級電容器？

超級電容器是一種儲能裝置，具有高功率密度、幾乎瞬間充放電、高可靠性和超長壽命。該技術它已經發展了幾十年，近年來在納米材料進步的推動下發展迅速，受到基礎設施和工業電氣化，以及汽車和運輸行業的日益關注。

超級電容器的優勢

壽命長：100萬次充電周期或15年以上

免維護、可靠而安全：在-40℃至65℃的極端溫度下也能達到最大效率；

功率密度大：高達電池功率密度（電池的倍率性能，即電池可以以多大的電流放電）的60倍；

效率高：比電池效率高30%；

無稀有金屬或有害物質：如鋰、鈷或其他物質。

我們將超級電容與電池比較一下，可以看到以下結果：

上面已經說過，與電池相比，超級電容器有幾個方面的優點，不同之處在于，超級電容器是在電場中儲存能量，而不是像電池那樣在化學反應中儲存能量。這也是壽命差異的原因——在沒有維護的情況下，超級電容器可以工作15年以上。

鋰電池與超級電容結構不同

從特性看，超級電容器的內阻很小（低至0.12mΩ），所以其工作效率接近100%，也比電池輕得多。

超級電容器的理想應用是要高功率和恒定循環的場合，例如KERS（動能回收系統），其制動能量被儲存并重新用于加速或照明。另一個很好的使用案例是電能質量——即使是電能質量幾微秒的微小擾動，假如沒有超級電容器來保護設備、基礎設施和電網，也會造成數千萬元的損失。

隨著技術的進步，電池和超級電容器已成為互補技術：電池供應長期能源，而超級電容器供應快速反應和高功率。所以有人說，超級電容器加電池是電氣化的未來。

電池總能量vs超級電容的大電流快放電

怎么樣混合？

對鋰電池的疑慮——里程焦慮、充電時間、成本和安全性——都會讓人們掏錢時猶豫不決。混合超級電容器的好處加上電池的耐力至少可以解決一些問題，從而真正啟動一個無憂無慮的電動車時代。

盡管用電池和超級電容器混合儲能是否可以與傳統鋰電池競爭還有待觀察，但電池和超級電容器雜交的后代將給電動車供應更大的續航里程和動力。

加速時，一些電動車不僅依靠電池來供應必要的功率，還使用超級電容器二次電源。電池就像馬拉松選手相同，在長距離行駛時供應穩定的放電；超級電容器是一個短跑運動員，能迅速釋放大量能量。

快速放電并不是超級電容器帶來的唯一優點，它也可以更快地充電。因為可以吸收車輛減速時出現的更多電能，使它在再生制動系統中特別有用。不過，它只能儲存電池所消耗能量的一小部分。因此，它們很快就“沒氣”了。正因為如此，工程師們在嘗試將超級電容器的最佳性能與電池最有用的特性相結合，從而制造出一種既有速度又有續航能力的存儲設備。他們現在取得了一些成功。

NAWATechnologies首席執行官UlrikGrape說，其超級電容器樣的電池可以使電動車的續航里程提高一倍以上，一次充電就可以行駛1000公里，也可以在5分鐘內充電到80%的容量。

UlrikGrape

他承認，電容器和電池的工作方式不同，所以將它們結合起來很困難。電容器以靜電形式物理地儲存能量，很容易并可迅速放電，因此電容器具有良好的功率密度。一個像樣的現代超級電容器的功率密度為每公斤幾千瓦。

鋰電池與超級電容能量密度比較

電池以活性物質形式在兩個電極中以化學方式儲存能量。這些電極在物理上是分開的，但是通過一種叫做電解質的材料連接起來，帶電的原子（即離子）通過電解質可以從一個傳遞到另一個，從而允許反應持續進行。不過，只有當離子流被通過電極間外部電路的電子流平衡時，才會發生這種情況。這個電子流就是電流，這是電池存在的原因。

以這種方式控制化學反應要時間，所以電池的功率密度較低。因此，一個非電動車使用的鋰電池每公斤的電量可能只有十分之一千瓦。但是化學物質可以儲存大量的能量，所以電池有很高的能量密度（單位重量電池所儲存的能量）。鋰電池可儲存200-300Wh/kg，超級電容器通常小于10Wh/kg。

相比之下，無論是基本電容器還是超級電容器，都是由一對導電板組成，放置在隔離材料的兩側。當一個電壓被施加到這些板上時，板的表面就會出現一個正電荷，而另一個板上則會出現一個相應的負電荷。通過外部電路連接這些極板，然后就會有電流流過。

從基本電容器到超級電容器的飛躍涉及兩個方面。一種方法是用活性碳等多孔材料覆蓋板材，以新增可用于儲能的表面積。另一種方法是將它們浸泡在電解液中，在電解質與極板之間形成了更多的存儲區域。不過，在混合物中加入電解液，也有可能同時加入一些類似電池的電化學。愛沙尼亞的石墨烯基超級電容器公司SkeletonTechnologies已在這樣做。

兩倍于特斯拉電池的能量密度

十一月初，SkeletonTechnologies剛剛從歐洲優秀公司家那里籌集了4130萬歐元融資，并與住友商事歐洲公司簽訂了石墨烯基超級電容器經銷協議，旨在為快速發展的混動及電動車行業供應儲能方法。此前該公司已與英國巴士集團簽署了一份高達數百萬歐元的采購合同，為最新KERS燃料動力電池公交車供應石墨烯超級電容器。

據稱，Skeleton最新的材料技術創新使其超級電容器能量密度提高了兩倍，成為無排放運輸的氫燃料動力電池的理想補充。Skeleton首席執行官兼聯合創始人TaaviMadiberk說：“氫燃料動力電池汽車關于降低二氧化碳排放和應對氣候變化具有高度戰略意義。

Skeleton的超級電容器是氫經濟的關鍵促成因素之一。燃料動力電池不能回收制動能量并重新利用它來加速，要高效的儲能裝置來提高整個系統的效率并降低總擁有成本。超級電容器和燃料動力電池的結合將加速氫燃料動力電池汽車的市場應用。”

Skeleton的下一代高能超級電容器基于材料技術創新，將市場上最高功率密度與高于最接近競爭對手（包括特斯拉）2倍的能量密度結合起來，降低了燃料動力電池的應力，有利于車輛燃料的經濟性，使之更加有效地工作，并新增了系統的總里程。該項目的試點測試計劃于2021年完成。

Skeleton開發的超級電容器采用一種具有很高導電性的“彎曲”石墨烯板。石墨烯板由皺巴巴的物質組成，表面積的新增使其新產品的能量密度達到10-15Wh/kg，這是超級電容器20-30Wh/kg理論最大值的一個很好分數。

Skeleton的創新負責人SebastianPohlmann表示，盡管基本上這仍然是一個超級電容器，是以靜電方式儲存大部分電荷，但電解液也將供應一些化學能量儲存，但他并透露所使用的電解液和所涉及的化學成分。他聲稱，這將是一種在15秒內可以充電的東西，并且能夠儲存60Wh/kg的能量。Skeleton計劃在2023年開始商業化加工這種超級電容器。

為超級電容新增化學儲能

一個觸點的工作原理類似于電容板，另一個像電池電極。與Skeleton不同的是，Graz小組對他們的電解質化學方法持開放態度。他們使用碘化鈉水溶液（即鈉離子和碘離子的溶液）。在電極上，碘變成元素碘，在放電過程中在孔隙中結晶。當設備充電時，這個過程會自動反轉。板上的孔同樣起到容納鈉離子的用途。

從其發明者最近在《自然通訊》上發表的一篇論文看，Graz電池的性能超過了鋰電池。該小組的成員之一QamarAbbas說，它能夠應對多達100萬次充放電循環，等效鋰電池預計只能有幾千次循環。

Keleton和Graz小組都采用了改良的超級電容器結構，并添加了一些定制的電化學，相比之下，盡管NAWA的產品確實也采用了改性超級電容器板作為電極，但它使用了久經考驗且值得信賴的鋰離子成分進行化學輔助工作。

與Skeleton相同，NAWA的超級電容器的金屬板是用一種叫做VACNT（垂直排列碳納米管）工藝制造的，因此稱為超快速碳電池。將這些管子排列成一個陣列，就像微型刷子上立在那里的刷毛，大大新增了可容納電荷的表面積。

為了使VACNT板也能像電池相同工作，NAWA的工程師們已經將納米管“森林”變薄，為電池反應所用的化學物質涂層騰出空間，也為鋰離子進出管子之間的空間騰出位置。該公司估計，行動自由將使其功率密度提高10倍。

NAWA陰極（電池正極）的納米管涂有鎳、錳和鈷，這種混合物已經被廣泛用于制造這種陰極。傳統陽極（負電極）已經是碳基了。不過，其他商業化程度較低的電池化學試劑也可以用在VACNT陰極，包括鋰硫和鋰硅，這兩種材料都有新增能量密度的潛力。

在與一些未具名的電池公司進行的測試中，一個電池中VACNT電極的能量密度達到500Wh/kg，而在另一個電池中則達到了每升1400Wh/升的能量密度。這大約分別是普通鋰電池重量和體積的兩倍。NAWA稱：“我們很容易做到這一點，因此我們相信還有更大的改進空間。”

NAWA承認與之合作的一家公司是電池制造商Saft（隸屬于法國石油巨頭Total的大型電池制造商）。Saft的客戶中有幾支一級方程式車隊，他們在賽車中使用一些電力。Saft還與歐洲大型汽車制造商PSA集團（PSAgroup）合作，加工電動車用電池。

當然，新產品的成功將取決于制造成本。NAWA已經在建造一條大規模加工線，為其最新的超級電容器制造極板。NAWA的首席執行官UlrikGrape說：“這種在鋁箔兩側生長納米管的工藝可以很容易地轉移到現有電池加工線上，甚至可以降低電池制造成本。第一代超級電容電池混合動力車有望于2023年投產。”

“混合”使儲存和動力兼得

談到開發混合動力鋰離子電池的初衷時，UlrikGrape說：“毫無疑問，汽車電池系統正在顯著改善，但為何你不結合兩種不同的技術，帶來最好的混合能源儲存和動力呢？”混合電池背后的理論是鋰電池和超級電容器的結合，它可以顯著降低電池包重量，提高整體效率和系統壽命。

UlrikGrape解析說，他的公司用了15年開發了一種新型超級電容器，可以供應現有超級電容器功率和能量的三到五倍。這種超快速碳電池彌補了現有超級電容器和鋰電池之間的鴻溝。然而，超級電容器——即使是最具創新性的電容器——在儲能方面仍然無法與鋰電池競爭。他說：“你當然可以用超級電容器給一輛小型車供電，但它的續航里程很短，要經常充電。這是城市汽車或共享汽車的理想選擇，但關于更廣泛的汽車行業，混合動力鋰離子電池系統才可以釋放我們技術的全部潛力。”

由于其各向異性的結構和非常高的導電性，NAWA的超快碳電極實現了市場上獨一無二的新一代大功率超級電容器（NAWACappower）。其功率密度比現有超級電容器高10到100倍，等效串聯電阻（ESR）低10倍以上。溫度（低和高）和頻率特性也大大改善，因此，NAWACap功率超級電容器在高溫、低溫或高頻下可比當前產品多保存5倍以上能量。

電動車怎么樣用超級電容？

先讓我們看看電動車是怎么回收和使用能源的。在再生制動過程中，傳統鋰電池只能回收20-30%的能量，化學成分意味著它無法接受高充電率而不會危及安全或壽命。然而，由于超級電容器能夠在幾秒鐘內充放電，性能不會損失，因此可以回收大約90%的能量。

這樣，超級電容器就非常適合承受像再生制動這樣的重負荷，比鋰電池更快地利用更多的能量。它們很擅長快速釋放這種能量，快速加速比鋰電池好得多。把兩者放在一起，就可以減少鋰電池的體積，因為超級電容器會帶走前者的一些工作負載。在短時間內，這意味著更少的總重量、更多的效率和更好的加速響應。

從長遠看，由于超級電容器的充電次數可以超過100萬次，且可承受沉重負載，因此有可能使鋰電池的負載變得溫和，例如定期充電和放電。這就延長了鋰電池和整個能源系統的壽命，降低使用成本。

UlrikGrape說：“我們發現，通過超級電容器與電池的結合，可以使鋰電池更小，降低能量和熱管理系統的復雜性，將總重量從300公斤減少到210公斤，而具有相同的總功率。重量減輕了30%，但性能更高，行駛里程更長。”

他強調，更重要的是，混合電池的碳基于一種豐富的、易獲得的天然材料，可循環利用，并且有可能減少行業對鋰的依賴。它真的有利于環保。

應用不只是汽車

NAWACap超快速碳電池壽命更長，可用于更舒適、更可用和更安全的車輛，包括混合動力汽車、電池電動車（BEV）和燃料動力電池汽車（FCEV），超高速碳電池可以快速存儲（和部署）再生制動系統的能量，大大提高能源效率和改善自動駕駛性。在未來的城市交通中，包括電動公共汽車、有軌電車或自動駕駛車輛都是功率超級電容器的重要目標市場。

未來，全球率先采用這些革命性新電池的部門將是制造業，超級電容器電池是電動工具和廠自動導航車輛的理想選擇，用它取代鋰離子系統可供應更快的充電和更長的使用壽命。此外，電網中的可再生能源結構、敏感場所的不間斷電源、物聯網存儲解決方法，以及海洋或太空等惡劣環境中的設備都將是超級電容器電池的用武之地。

新版“龜兔故事”，就在鋰電池和超級電容器之間

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