姓名：劉哲寧

【嵌牛導讀】：相比于鋰電池，超級電容充放電速度快、效率高、循環壽命長且安全性高。這些似乎都是如今電動車推廣困局的解藥。

　　在鋰電池行業正享受著眾星捧月般追逐的時候，其潛在的一個對手已悄然走近，虎視眈眈，它就是超級電容。

【嵌牛鼻子】：超級電容，特斯拉

【嵌牛提問】：石墨烯將助力超級電容取代鋰電池？

【嵌牛正文】：近期，市場調研公司IDTechEx提出了一個大膽論斷——超級電容器將會摧毀鋰離子電池市場。在題為《2014-2024年的超級電容市場》報告中，IDTechEx稱，到2024年，全球超級電容器市場價值將達到65億美元，市場份額增大的同時會吞噬電池市場。

　　所謂超級電容，是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。由于其容量很大，對外表現和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。

　　為什么有人認為它必將取代鋰電池？主要還是從其性能考慮。相比于鋰電池，超級電容充放電速度快、效率高、循環壽命長且安全性高。這些似乎都是如今電動車推廣困局的解藥。

　　南車株機今年5月單批量交付的世界首列超級電容100%低地板有軌電車，其采用7500F雙電層超級電容，壽命長達10年，充放電次數可達100萬次。列車每次進站可快速充電,最大充電時間30秒,最快10秒便能完成充電。

　　超級電容高于鋰電池的安全性能，也在近幾年的各類事件中得以彰顯。過去一年，波音、蘋果、特斯拉等公司都受困于鋰電池的安全性，頻頻引發事件。專家也指出鋰電池“本性難移”，很難從技術上彌補其安全性短板。而利用靜電電荷存儲電能的超級電容本身就保證了其安全性能。

　　現今，超級電容由于其能量密度低的短板，主要還扮演著鋰電池的配角角色。但由于“萬能材料”石墨烯的應用，超級電容替代鋰電池的腳步似乎越來越近。

研究人員手持柔性全固態超級電容器演示其性能

　　雖然國內外對此的爭論頗多，沒有達成共識。但相比國內對于鋰電池的高度熱情，歐美多國的做法更加平衡。以德國為例，其于2008年頒布的《德國國家電動汽車發展計劃》中就將超級電容與鋰電池的研發放在同樣相等的地位。

　　在超級電容器的產業化方面，美國、日本、俄羅斯、瑞士、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發和技術積累，目前處于領先地位。如美國的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄羅斯的Econd公司等，這些公司目前占據著全球大部分市場。

　　其中，Maxwell率先嘗到了來自中國市場的大蛋糕，據美國投行派杰（Piper Jaffray）分析師Alexander Potter稱：宇通公司目前是Maxwell的最大客戶，且訂單還在加速增長。

　　近年來，由于看好這一領域廣闊的應用前景，中國一些公司也開始積極涉足這一產業。但由于技術壁壘較高，2012年以前，國內從事大容量超級電容器研發的廠家共有50多家，然而能夠批量生產并達到實用化水平的廠家只有10多家。

　　不過，鑒于超級電容可應用于新能源發電、智能電網、新能源汽車、節能建筑、工業節能減排等各個行業，不論十年后是否會替代鋰電池，它的用途都決定了它的戰略價值。

如果你有幸造訪美國加州像拉霍亞(La Jolla)這些超級富豪云集的地區,或者去到像芒廷維尤(Mountain View)這些高科技公司扎堆的地方,就有機會領略未來。

　　確切地說,領略汽車業未來。特斯拉、日產聆風和豐田普銳斯或類似的汽車,在路面上比比皆是。電動汽車和混合動力汽車與普通燃油汽車在車流中交相輝映；許多企業、購買中心和家庭也都安裝了充電樁。

　　如果電動汽車廠商們果真如愿以償,這就是我們在某個時段都會置身于其中的未來;汽車廠商們正不惜投入巨資,讓這一幕成為現實。問題是,將小片地區的需求變成全國地區的需求有多容易?

　　在加州另一處,埃隆·馬斯克(Elon Musk)創辦的特斯拉汽車公司(Tesla Motors)最近提議計劃,在尚未披露的美國西南地區新建一家巨型電池工廠(具體廠址成了熱議話題)。這個所謂的“千兆工廠”預計造價高達50億美元,定于2020年生產的鋰離子電池可滿足50萬輛汽車的需求——年產量超過2013年全球年產量。

　　可是一些人士認為,等到這家工廠破土開張,特斯拉的計劃到時似乎就過時了。IHS Automotive是領先的全球汽車業務情報提供商,該公司的高級規劃主管菲爾·戈特認為 , 特斯拉的宏偉計劃“恐怕考慮欠周”。原因是,正在研發的新技術有望提供更出色的替代技術,解決專家們所說的電動汽車面臨的最大阻礙因素之一。

　　電動汽車面臨的這個問題就是,電池又大又重；因而,安裝上去的電池數量很有限。比如說,特斯拉 Model S 的鋰電池組平鋪在汽車地板上,大概長2米、寬1.2米。在頂級配置車型中,鋰電池組提供大約300 英里(482 公里)的行駛里程,之后就需要插入充電樁充電。日產聆風充一次電可以跑 80 英里(128 公里)左右。除此之外,充電過程比起只需加油要慢得多。

　　那么,如何才能生產出性能更好的電池?從最基本層面來說,電池含有正負極、隔板和電解質。許多不同類型的材料可以用作電解質,不同的材料組合讓電池可以貯存不同數量的能量。不過,要是材料發生變化,電池續航時間和安全特征也隨之變化,所以總是少不了折中辦法。鋰離子電池大行其道,但發生過鋰電池在飛機上短路起火的事件,因而攜帶受嚴格限制。任何活性更強或不穩定的電池都有安全隱患。不過,如果設計出最佳的材料組合,有望獲得巨大回報。

　　在最近研究工作之前的數十年中,電池技術已得到了一系列改進。

　最先問世的是鉛酸電池,這種電池今天仍然廣泛應用于汽車,它們個頭龐大。接著出現了鎳鎘(NiCad)電池,這種可充電電池由此開啟了便攜式技術唱主角的新時代:筆記本電腦和手機等移動設備,還有我們小時候的遙控汽車。再后來出現了鎳氫(NiMH)電池,電池容量或能量密度大概翻了一番。現在,現代化的設備和電動汽車普遍使用鋰離子(Li-ion)電池。

　　展望未來,準備迎接名字越來越復雜的電池技術,比如鋰鎳錳鈷氧(LiNiMnCo)電池。這種材料的特性很復雜;眼下,研究人員致力于不僅搞清楚為何這些材料能工作,還要搞清楚如何工作——電子在材料中移動的基本物理原理。

　　丹尼爾·亞伯拉罕(Daniel Abraham)是美國阿爾貢國家實驗室的材料科學家,他說:“我們阿爾貢國家實驗室在研究一些材料,它們有望將電池當前的能量密度提高一倍。我們先夢想或設想想要處理的材料,然后努力在實驗室合成材料。”

　　目前,備受矚目的幾種電池包括:鋰空氣電池(更確切地說是鋰氧氣電池)和鋰硫電池。若能做到可以在各種條件下正常工作,鋰氧氣電池的性能有望比目前的鋰離子電池大幅提升,提高整整一個數量級。亞伯拉罕說:“ 這是當前一個非常熱門的研究領域。”

　　的確,大眾汽車公司最近暗示,它在研究鋰空氣電池。由于開發工作還沒有最終完成,大眾采用的具體的化學/材料組合還沒有透露。這家公司的工程師們甚至不愿表示這項技術已在汽車中進行了測試,還是仍處在“實驗臺”階段。

　　不過,雖然這項技術有望帶來變革,但想要生產出工作起來持續、可靠、安全的鋰空氣電池,還面臨一大堆技術挑戰。到目前為止,試驗證明電極很不穩定。

　　不過世界各地的實驗室正在努力破解這個難題,試圖克服種種缺點。但愿更重視這些“超鋰離子”技術,會確保研發過程加快,并從長遠來看,確保汽車跑得更快、跑得更遠。