編輯？/?文？俏皮話
設計？/?杜凱
來源？/?《經濟學家》，作者匿名
袁隆平院士的超級雜交水稻解決了全國的吃飯問題。超級電容器和電池的混合後代將為電動汽車帶來更高的續航裏程和動力，治愈人們對電動汽車的焦慮。
除了現在廣泛使用的電池，超級電容器還可以為電動汽車提供驅動力。如果將電池比作馬拉松運動員，它可以在長距離上提供穩定的放電。超級電容器是壹個快速釋放大量能量的短跑運動員。
快速放電並不是超級電容的唯壹優勢，它也可以快速充電。因此，它們可以吸收車輛減速時產生的更多動力，在制動能量回收系統中特別有用。然而，它們所能儲存的能量只是電池所能儲存能量的壹小部分。所以它們在續航能力和續航能力上遠不如電池，不會長時間工作。
工程師們壹直在嘗試結合超級電容器和電池的最大優勢，制造壹種兼具速度和續航能力的存儲設備，並取得了壹些成果。
傳統電容器(左)和超級電容器(右)
法國普羅旺斯艾克斯附近的納瓦？Technologies聲稱，它已經開發出壹種類似於超級電容器的電池，可以使電動汽車的續航裏程增加壹倍以上，使其壹次充電可以行駛65，438+0，000公裏。Nawa聲稱，這種新設備也可以在短短五分鐘內充滿80%的容量。
功率密度？VS？能量密度？
電容和電池的工作原理不同，把它們結合起來很麻煩。電容以物理方式儲存能量，儲存靜電荷，容易快速放電。所以電容器有很好的功率密度(單位重量的能量傳遞率)，超級電容器的功率密度是每公斤幾千瓦。
電池以化學方式儲存能量，並以活性物質的形式儲存在兩個電極中。這些電極在物理上是分開的，但通過壹種叫做電解質的材料連接起來，離子可以從壹個電極轉移到另壹個電極，從而使反應得以進行。然而，只有當離子流被電極之間的外部電路的電子流平衡時，這種反應才會發生。這個電子流就是電流，這也是電池的工作原理。
因為化學反應過程需要時間，所以電池的功率密度很低。電動車用鋰離子電池的功率密度只有每公斤0.1千瓦。然而，因為化學物質可以容納大量能量，所以盡管電池的功率密度較低，但其能量密度(每單位重量的能量)較高。壹個鋰離子電池每公斤可以儲存200-300瓦時(wh/kg)。超級電容壹般能達到近10wh/kg。
傳統電容？VS？超級電容器
傳統電容器和超級電容器由壹對金屬導電板(電極是陽極和陰極)組成，由稱為電介質的絕緣體隔開。
當電容器的金屬板加電壓時，壹個板的表面會產生正電荷，另壹個板的表面會產生相應的負電荷。絕緣介質對電子的流動產生阻力，從而以靜電場的形式儲存能量。當兩塊金屬板通過外部電路連接時，就像電池壹樣，電流就會流動。
超級電容器又稱雙電層電容器，是用電解液代替電介質，在電極上使用活性炭來擴大面積。兩塊金屬板(電極)由壹個隔膜隔開，隔膜壹般由石墨烯制成(用於現代超級電容器)。
超級電容器介於電容器和電池之間。也稱為雙層電容器。與普通電容器相比，超級電容器具有很高的電容量和較低的額定電壓。超級電容器中加入電解液也帶來了類似電池中化學反應增加的可能性。
物理儲能？VS？化學能儲存
愛沙尼亞超級電容公司Skeleton？這就是技術打算做的。
Skeleton為壹系列新的超級電容器開發了壹種由彎曲石墨烯組成的金屬板。普通石墨烯是單層碳原子排列成六邊形網格，導電性很高。骷髏的彎曲石墨烯是由折疊的薄片組成的。該公司希望表面積的增加能夠使其新產品的能量密度達到10-15wh/kg，但這與超級電容器的理論最大值20-30wh/kg相差甚遠。
然而，這只是骨架計劃的開始。該公司的工程師現在正與德國卡爾斯魯厄理工學院合作，在其所謂的“超級電池”中使用彎曲的石墨烯。雖然本質上這仍然是壹個超級電容，以靜電場的形式儲存了大部分電荷，但Skeleton的創新總監塞巴斯蒂安·帕爾曼(Sebastian？Pohlmann)表示，電解質還會提供壹些化學能儲存。該公司沒有透露其使用的電解液和涉及的化學成分。帕爾曼博士只是說“它與鋰離子的傳統化學成分有很大不同”。
然而，他聲稱整體效果將在15秒內充滿電，並可以提供60wh/kg的能量密度。Skeleton的目標是在2023年開始該產品的商業生產。
超級電容器的工作原理
其他公司也在研究如何增加超級電容器中的化學儲能。例如，奧地利格拉茨技術大學的研究人員開發了壹種在電容器的電觸點上塗覆多孔碳的方法。其中壹個電觸點像電容器極板壹樣工作，另壹個像電池電極。
與Skeleton不同，Graz的團隊使用碘化鈉水溶液(即鈉離子和碘離子的溶液)作為電解質。在電極上，碘化物變成碘，在放電過程中，碘在多孔碳的孔隙中結晶。當設備充電時，這壹過程將被逆轉。板中的小孔也起到容納鈉離子的作用。
根據其發明者最近在《自然》子刊物《自然通訊》(Nature？通信)，格拉茨電池性能超過鋰離子電池。比如可以充放電超過壹百萬次，團隊成員卡邁勒·阿巴斯(Qamar？阿巴斯)說。同樣容量的鋰離子電池可能只能承受幾千次循環。
然後，Skeleton和Graz的團隊都采用了改進的超級電容器架構，並添加了壹些特定的電化學。相比之下，雖然Nawa的產品確實使用了改進的超級電容器極板作為電極，但它使用了經過驗證和信任的鋰離子元件進行化學反應。
像Skeleton壹樣，Nawa已經在生產超級電容器。金屬板由該公司稱之為VACNT(垂直？對齊？碳？納米管垂直排列的碳納米管)。這將這些管子排列成壹個微型陣列，類似於刷子上的刷毛，非常小型化。壹平方厘米大約有1000億根，全部保持直立，大大增加了可以容納電荷的表面積。
為了使VACNT板也可以用作類似於電池的電極，Nawa的工程師們將納米管變薄，為電池反應中使用的化學塗層騰出空間，也為鋰離子進出管之間的空間騰出空間。該公司認為，這種自由移動將使設備的功率密度增加10倍。
掃描電鏡圖像顯示的真空碳納米管陣列
首先，本發明的陰極(電池中的正電極)的納米管將用鎳、錳和鈷塗覆，這已被廣泛用於制造這種陰極。傳統的陽極(負極)也是以碳為基礎的，所以以納米管的形式使用這種元素並不是壹個很大的創新。然而，其他商業化程度較低的電池化學品也應該能夠使用VACNT電極。其中包括鋰硫和鋰矽，兩者都有可能增加能量密度。
“矽的前景很大，但是吸收離子會膨脹，產生電池破裂的風險。VACNT電極中的厚納米管像籠子壹樣運行，以保持對矽的控制。”2013物理學家帕斯卡·布朗熱(Pascal？布朗熱)表示，新的電極材料也可以與固體電解質壹起用於制造固態電池。這些電池功能強大，經久耐用，但商業化進程艱難。
布朗熱博士說，在與壹些不知名的電池公司的測試中，VACNT電極在壹個電池中實現了500wh/kg的能量密度，在另壹個電池中實現了65，438+0，400 Wh/L的能量密度。這大約是傳統鋰離子電池重量和體積的兩倍。“我們非常輕松地做到了這壹點。”他補充說，“所以我們認為還有更大的改進空間。”
Nawa透露，與它合作的公司之壹是Saft，法國石油巨頭Total旗下的壹家大型電池制造商，該公司熱衷於從化石燃料轉向多元化。在Saft的客戶中，有幾個F1車隊的賽車也在使用電力。Saft還與歐洲大型汽車制造商PSA集團合作，為電動汽車生產電池。
當然，新設備的成功將取決於它的制造成本。Nawa已經在建設壹條大規模生產線，為其最新的超級電容器生產VACNT極板。納瓦公司CEO烏爾裏克？Grape)表示，使用的工藝是在壹卷鋁箔的兩面部署納米管，可以很容易地轉移到現有的電池生產線上，甚至降低電池制造成本。他預測首批“超級電容器-電池混合”電池將於2023年投產。
這種混合儲能能否與傳統的鋰離子電池競爭還有待觀察。鋰離子電池有現成的優勢，電池制造商已經投入數十億美元建設巨大的“超級工廠”來批量生產鋰離子電池。然而，盡管人們對電動汽車討論熱烈，但許多客戶對鋰離子電池仍心有余悸，續航焦慮、充電速度和成本等因素綜合在壹起。將超級電容的特性與電池的續航能力結合起來，至少可以克服前兩個問題，從而真正開啟壹個無憂無慮的電動車時代。
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