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    1. 侵权投诉

      十数年未曾赶超,超级电容取代汽车锂电池遥遥无期?

      E4Life ? 2021-08-24 08:34 ? 次阅读
      早在十多年前,超级电容取代锂电池的论调就层出不穷。随着当前电动汽车市场锂电池风生水起,不少坚持这一论调的人也开始将目光瞄向这一市场。但这个吹捧了十数年的观点,为何迟迟没有成真呢?

      超级电容vs锂电池:万般优点难遮一丑

      超级电容作为储能设备可以说是具有天生的优势,锂电池之类的主流储能形式都是由电能转化学能再转电能,存在一定的能量损失,而超级电容的充放电过程中能量自始至终为电能,充放电效率极高。由于其储能过程无化学反应,而且可逆,所以充放电寿命远高于一般的锂电池。

      其次,超级电容的功率密度非常高,瞬时动态特性和扭矩表现更好,非常适合解决大型电动车的启动加速问题。而且在高功率表密度下,更容易做到大功率快充,只需短短十数秒到十分钟,就可以达到额定容量的95%以上.

      在安全性上,超级电容也同样胜过锂电池一筹。因为超级电容是物理储能,即便在短路的情况下,也不会出现液体泄漏、冒烟、起火、破裂或爆炸的现象,而且充放电时温升非常小,不必担心过热的情况。而且超级电容的原材料无污染,是绿色的储能设备,可以轻易达到环保标准。

      那么有了这么多优点,为何超级电容还没有取代锂电池呢?关键就在于能量密度上。储能设备的首要任务就是“储能”,如果不能存储大容量的电能,那么快充、寿命这些需求都是伪命题,或者是只能用于特定的场景。

      SkelCap超级电容 / Skeleton Technologies

      超级电容的能量密度并不高,甚至普遍低于10Wh/kg,这与动辄高于150Wh/kg的锂电池相比,可以说是致命的劣势。就拿上图中爱沙尼亚公司Skeleton推出的超级电容来说,其能量密度最高只有6.8Wh/kg。

      不仅是质量能量密度,超级电容的体积能量密度同样低于锂电池。也就是说同等电能容量下,超级电容所需的体积和质量都要大于锂电池。对于乘用车这种结构和体积要求严格的产品来说,超级电容可以说是在第一轮就被刷了下来。

      不过,这并不代表着超级电容不能在电动车市场找到一席之地,尤其是在公共交通上。

      公共交通:弱化超级电容的劣势

      既然在体积上没有优势,那就不妨选择体积要求较小的公共交通市场。早在2006年,上海就投入了超级电容公交车,在上下客期间充电30秒到1分钟就能跑上5公里。然而这种超级电容车虽然能耗低,但设备安装和制造成本过高,并没有广泛推广。

      不仅如此,充电一次存储的能量太少,尤其是在大客流和夏天开空调的大功耗下。若要兼顾里程数的话,充电时长又很难满足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交车开两站就停下充电的情况,司机也不想因为充电耽误里程和时间。

      为了解决这一问题,不少超级电容车开始采用超级电容+锂电池混用的技术。超级电容负责解决充电速度、加速扭矩和制动等问题,而锂电池则负责辅助解决续航里程问题。如果总行程距离并不长的情况下,可以只在首尾站架设充电弓。若是非得在中途充电的话,也可以在中间站架设充电功率低的充电弓,以解决充电时间问题。

      广州黄埔有轨电车1号线 / 广州黄埔发布

      2020年底,全国首条超级电容+锂电池的有轨电车,广州黄埔有轨电车1号线也开始正式运营。该线路采用的超级电容单体容量达到9500法拉,上下车间隙的充电时长不到30秒,作为辅助储能的钛酸锂电池则负责紧急情况下的补偿供电。

      能量密度如何突破?

      虽然现阶段超级电容的能量密度不比锂电池,甚至难以超越铅酸电池,但有关的研究依然在探索从材料等角度突破这一限制。

      德国慕尼黑工业大学在今年开发出一款“非对称”的超级电容器,结合化学修饰过的石墨烯材料和纳米结构的金属有机框架,其能量密度可以达到73Wh/kg,基本可以可以替代当前的铅酸电池。而且该超级电容非常稳定,在1万个周期后依然可以保持90%的容量。

      可弯曲的超级电容 / 伦敦大学学院
      伦敦大学学院去年也和中国科学院联合发布了一项研究,通过带孔的石墨烯电极材料,他们将超级电容的体积能量密度提升至88.1Wh/L,而传统的铅酸电池体积能量密度通常在50至90Wh/L。运用新材料的超级电容还拥有极高的灵活度,可以弯曲180度而不影响其性能,所以也可以用于折叠手机和可穿戴产品中。

      60000F超级电容 / 中国中车

      中国中车也在持续研制石墨烯超级电容,他们当前已有的60000F超级电容已经可以做到40Wh/kg的能量密度和2314W/kg的功率密度。据了解,他们不仅打算继续在能量密度上突破,更是希望做到更高的功率密度,以满足一些国防应用的要求。

      结语

      超级电容在能量密度上的突破与石墨烯息息相关,但石墨烯目前仍然面临着大规模量产的问题,也给大能量密度的超级电容施加了桎梏。如果无法解决这一问题,超级电容目前仍然只能用于公共交通和风力发电等领域,要想替代锂电池,还有很长的一段路要走。
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