來(lái)源 / Economist，作者：Anonymous

袁隆平院士的超級(jí)雜交水稻解決了全國(guó)人的吃飯問(wèn)題。超級(jí)電容器和電池的雜交后代，將給電動(dòng)汽車帶來(lái)更高的續(xù)航里程和動(dòng)力，治好人們的電動(dòng)車焦慮癥。

除了如今普遍應(yīng)用的電池之外，超級(jí)電容器也可以為電動(dòng)車提供驅(qū)動(dòng)力。如果把電池比作一個(gè)馬拉松選手，在長(zhǎng)距離內(nèi)提供穩(wěn)定的放電。超級(jí)電容器就是一個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，迅速釋放大量能量。

快速放電并不是超級(jí)電容器的唯一優(yōu)勢(shì)，它還可以快速充電。因此它們能夠吸收更多車輛減速時(shí)產(chǎn)生的電力，在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中特別有用。不過(guò)，它們能夠儲(chǔ)存的能量只是電池可儲(chǔ)存能量的一小部分，因此，在持久力和耐力上，它們比電池差遠(yuǎn)了，工作不了多久就會(huì)力不從心。

工程師們一直在嘗試，將超級(jí)電容器和電池的最大優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，制造出一種速度和耐力兼?zhèn)涞拇鎯?chǔ)設(shè)備，并且已經(jīng)取得了一些成果。

傳統(tǒng)電容器（左）和超級(jí)電容器（右）

法國(guó)普羅旺斯地區(qū)艾克斯附近的Nawa Technologies公司聲稱，該公司已經(jīng)研發(fā)出了類似超級(jí)電容器的電池可以將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提高一倍以上，使其單次充電可行駛1000公里。Nawa稱，這種新設(shè)備還可以在短短5分鐘內(nèi)充電到80%的容量。

功率密度 VS 能量密度 

電容器和電池的工作方式不同，所以將它們結(jié)合起來(lái)是很麻煩的一件事。電容器以物理方式存儲(chǔ)能量，存儲(chǔ)的是靜止電荷，很容易快速放電。所以電容器具有良好的功率密度（單位重量的能量傳輸率），一個(gè)超級(jí)電容器的功率密度為每公斤幾千瓦。

電池則是以化學(xué)方式儲(chǔ)存能量，以活性物質(zhì)的形式儲(chǔ)存在兩個(gè)電極中。這些電極在物理上是分開(kāi)的，但通過(guò)一種叫做電解液的材料連接起來(lái)，離子可以從一個(gè)電極傳遞到另一個(gè)電極，以允許反應(yīng)的進(jìn)行。但是，只有當(dāng)離子流通過(guò)電極之間的外部電路的電子流來(lái)平衡時(shí)，才會(huì)發(fā)生這種反應(yīng)。這種電子流就是電流，這也是電池的工作原理。

因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程需要時(shí)間，所以電池的功率密度很低。電動(dòng)汽車使用的鋰離子電池的功率密度僅為每公斤0.1千瓦。但由于化學(xué)物質(zhì)可以容納大量的能量，所以電池雖然功率密度低，卻能量密度高（單位重量所能容納的能量）。一塊鋰離子電池每公斤可以儲(chǔ)存200-300瓦時(shí)（wh/kg）。而超級(jí)電容器一般能達(dá)到近10wh/kg。

傳統(tǒng)電容器 VS 超級(jí)電容器

傳統(tǒng)電容器和超級(jí)電容器都是由一對(duì)金屬導(dǎo)電板組成（電極為陽(yáng)極和陰極），由稱為電介質(zhì)的絕緣體隔開(kāi)

當(dāng)電壓施加到電容器的金屬板上時(shí)，一個(gè)板子的表面會(huì)產(chǎn)生正電荷，另一個(gè)板子的表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)電荷。而絕緣介質(zhì)對(duì)電子的流動(dòng)產(chǎn)生阻力，從而以靜電場(chǎng)形式儲(chǔ)存能量。在通過(guò)外部電路連接這兩塊金屬板時(shí)，就像電池一樣，電流就會(huì)流動(dòng)。

超級(jí)電容器又稱雙層電容器，它使用電解液代替電介質(zhì)，在電極上使用活性炭來(lái)擴(kuò)大面積。兩個(gè)金屬板（電極）中間用隔膜隔開(kāi)，隔膜一般采用的材料是石墨烯（用于現(xiàn)代超級(jí)電容器）

超級(jí)電容器介于電容器和電池之間。又稱雙層電容器。與普通電容器相比，超級(jí)電容器具有非常高的電容和更低的額定電壓。超級(jí)電容器中加入了電解液，也帶來(lái)了增加類似電池中化學(xué)反應(yīng)的可能性。

物理儲(chǔ)能 VS 化學(xué)儲(chǔ)能

愛(ài)沙尼亞的超級(jí)電容器公司Skeleton Technologies就是這樣打算的。

Skeleton公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了由其所謂的彎曲石墨烯組成的金屬板，用于一系列新的超級(jí)電容器。普通的石墨烯是一層單層的碳原子排列成六邊形網(wǎng)格，它具有高導(dǎo)電性。而Skeleton的彎曲石墨烯則由褶皺的片狀物組成。該公司希望，表面積的增加將使其新產(chǎn)品的能量密度達(dá)到10-15wh/kg，不過(guò)，這離超級(jí)電容器20-30wh/kg的理論最大值還差得遠(yuǎn)。

然而，這只是Skeleton計(jì)劃的開(kāi)始。該公司的工程師現(xiàn)在正與德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院合作，在其所謂的“超級(jí)電池”中使用彎曲的石墨烯。雖然這本質(zhì)上仍然是一個(gè)超級(jí)電容器，以靜電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)大部分電荷，但Skeleton的創(chuàng)新主管塞巴斯蒂安·帕爾曼（Sebastian Pohlmann）表示，電解液也將提供一些化學(xué)能量存儲(chǔ)。該公司未透露其使用的電解液和涉及的化學(xué)成分。帕爾曼博士只說(shuō)了“它與傳統(tǒng)的鋰離子化學(xué)成分大不一樣”。

但他聲稱，總體效果將是15秒內(nèi)充滿電，并能提供60wh/kg的能量密度。Skeleton的目標(biāo)是在2023年開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)這種產(chǎn)品。

超級(jí)電容器的工作原理

其他公司也在研究如何在超級(jí)電容器中增加化學(xué)儲(chǔ)能。例如，奧地利格拉茨理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一款，在電容器的電觸頭上涂上多孔碳。其中一個(gè)電觸頭的工作原理就像電容板，另一個(gè)電觸頭則像電池電極。

與Skeleton不同，格拉茨小組使用的是碘化鈉水溶液（即鈉離子和碘離子的溶液）作為電解液。在電極上，碘化物變成碘元素，在放電過(guò)程中，碘元素在多孔碳的孔隙中結(jié)晶。當(dāng)設(shè)備充電時(shí)，這個(gè)過(guò)程又會(huì)反過(guò)來(lái)。板上的孔隙也同樣起到容納鈉離子的作用。

根據(jù)其發(fā)明者最近在《自然》子刊《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表的一篇論文，格拉茨電池的性能超過(guò)了鋰離子電池。例如，它能夠充放電一百多萬(wàn)次，該團(tuán)隊(duì)成員卡馬爾·阿巴斯（Qamar Abbas）說(shuō)。同等容量的鋰離子電池可能只能承受幾千個(gè)循環(huán)。

那么，Skeleton和格拉茨小組都是采用改良的超級(jí)電容器架構(gòu)，并添加一些特定的電化學(xué)。相比之下，雖然Nawa的產(chǎn)品確實(shí)也采用了改良的超級(jí)電容器板作為電極，但它使用了久經(jīng)考驗(yàn)且值得信賴的鋰離子成分來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

與Skeleton一樣，Nawa已經(jīng)在生產(chǎn)超級(jí)電容器。金屬板是用該公司稱為VACNT（Vertically Aligned Carbon Nanotubes垂直排列的碳納米管）的工藝制造的。這將這些管子排列成一個(gè)微型的類似于刷子上的刷毛的陣列，極其微型化。一平方厘米大約有1000億根，全部保持直立，這大大增加了可容納電荷的表面積。

為了使VACNT板也能作為類似電池的電極使用，Nawa的工程師將納米管變薄，以便為電池反應(yīng)所使用的化學(xué)涂層騰出空間，同時(shí)也為鋰離子進(jìn)出管子之間的空間騰出空間。該公司認(rèn)為，這種自由移動(dòng)將使該裝置的功率密度提高10倍。

掃描電鏡圖像顯示的VACNT陣列

首先，該發(fā)明的陰極（電池中的正極）的納米管將被涂上鎳、錳和鈷，這種搭配已經(jīng)廣泛用于制造這種陰極。傳統(tǒng)的陽(yáng)極（負(fù)極）也是以碳為基礎(chǔ)的，因此以納米管的形式使用該元素并不是一個(gè)很大的創(chuàng)新。不過(guò)，其他商業(yè)化程度較低的電池化學(xué)制品也應(yīng)該可以使用VACNT電極。這些包括鋰硫和鋰硅，它們都有可能提高能量密度。

“硅的前景本來(lái)是很大的，但它在吸收離子時(shí)會(huì)膨脹，產(chǎn)生了使電池破裂的風(fēng)險(xiǎn)。VACNT電極中厚厚的納米管就像一個(gè)籠子一樣運(yùn)作，以保持對(duì)硅的控制。”2013年參與創(chuàng)建Nawa的物理學(xué)家帕斯卡·布朗熱（Pascal Boulanger）說(shuō)，新的電極材料也可以與固體電解質(zhì)一起使用，以制造固態(tài)電池。這些電池功能強(qiáng)大，堅(jiān)固耐用，但商業(yè)化進(jìn)程困難重重。

布朗熱博士說(shuō)，在與一些不知名的電池公司進(jìn)行的測(cè)試中，VACNT電極在一種電池中實(shí)現(xiàn)了500wh/kg的能量密度，在另一種電池中實(shí)現(xiàn)了以體積計(jì)算高達(dá)1400wh/L的能量密度。這大約是傳統(tǒng)的鋰離子電池在重量和體積方面分別能達(dá)到的兩倍。“我們已經(jīng)非常輕松地做到了這一點(diǎn)?！彼a(bǔ)充道，“所以我們相信還有更大的改進(jìn)空間?！?/p>

Nawa透露與之合作的一家公司是Saft，這是一家由法國(guó)石油巨頭Total下屬的大型電池制造商，該公司熱衷于從化石燃料中實(shí)現(xiàn)多樣化。在Saft的客戶中，有幾支F1賽車隊(duì)，他們的賽車也在使用電力。Saft還與歐洲大型汽車制造商PSA集團(tuán)合作，生產(chǎn)電動(dòng)汽車的電池。

當(dāng)然，新設(shè)備的成功與否將取決于其制造成本。Nawa已經(jīng)在建設(shè)一條大規(guī)模生產(chǎn)線，為其最新的超級(jí)電容器制造VACNT板。Nawa公司首席執(zhí)行官葛衛(wèi)凱（Ulrik Grape）表示，所使用的工藝是在一卷鋁箔的兩面部署納米管，可以很輕松地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有的電池生產(chǎn)線上，甚至可以降低電池制造成本。他預(yù)計(jì)首批“超級(jí)電容器-電池混合動(dòng)力”電池將于2023年投入生產(chǎn)。

這種混合儲(chǔ)能是否能與傳統(tǒng)的鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)還有待觀察。鋰離子電池具有現(xiàn)成的優(yōu)勢(shì)，電池制造商已經(jīng)投資數(shù)十億美元建造巨大的“超級(jí)工廠”，以大量生產(chǎn)鋰離子電池。然而，盡管電動(dòng)汽車被炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，但許多客戶對(duì)鋰離子電池的疑慮卻揮之不去，續(xù)航焦慮、充電速度、成本等因素綜合在一起。將超級(jí)電容器的特性與電池的耐力結(jié)合起來(lái)，至少可以克服前兩個(gè)問(wèn)題，從而真正開(kāi)啟一個(gè)無(wú)憂無(wú)慮的電動(dòng)汽車時(shí)代。

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