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详解石墨烯电池与超级电容器技术:来自未来的泡沫?

导读: 其实石墨烯电池与超级电容器的技术之争由来已久。同是热门的前沿技术,同样备受关注被放在一起作对比在所难免。但这两项技术的缺点和优点一样明显,而且现在很多相关的研究仍停留在实验室阶段,很容易让人产生这是“未来的泡沫”的虚幻感。我们只能期盼有更多的实际运用。

 

一、石墨烯电池:奇迹还是虚幻?

  大凡稍微关注新科技的人都会知道“石墨烯”是何物,也会知道这种材料被赋予了多高的期望。

  而自打索尼公司1991年发明锂离子电池至今,锂电池技术几乎就像一条平直的线,波澜有之,幅度不足。这个瓶颈梗在这里已近15年,视摩尔定律如无物,无半分松动的意思。

  然后在2004年的一天,石墨烯诞生,并助两位科学家获得诺贝尔奖。在接下来的日子里,各种炒作铺天盖地,其中最吸引人的莫过于“石墨烯电池”的概念。

  石墨烯电池是指在利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新型的电池。那这种电池到底是带来新时代的奇迹,还是昙花一现的虚幻呢?

  “万能材料”要破解续航焦虑

  石墨烯被称为“万能材料”,在各大科技领域都具有不可小觑的潜力。那在日益“烦躁”的电池界,石墨烯电池是怎么埋下希望种子的呢?

详解石墨烯电池与超级电容器技术:来自未来的泡沫?

  首先我们来了解一下石墨烯电池的魔力。石墨烯电池的能量密度高达600Wh/kg,这是前阵子闹得纷纷扬扬的比亚迪磷酸铁锰锂电池(未证实)能量密度的4倍。换句话说,一辆电动汽车如果想达到设定的动力蓄电池组总能量,配备石墨烯电池的重量只需普通动力电池的八分之一即可(石墨烯电池本身的重量仅为传统电池的一半),这样可以减少车身的重量,抑或是增加电池重量,藉此达到摆脱“续航焦虑”的目的。

  除了能量密度这个最大的优势,石墨烯电池还有其它“杀手锏”。它的使用寿命是普通锂电池的两倍,制造成本则比之降低了77%。

  而真正让这种魔性电池成为国际焦点的则是特斯拉汽车公司。去年年末,特斯拉发布了两年前停产的第一代车型Roadster的升级版,其续航里程高达644公里,原版Roadster的续航里程仅为393公里),消息一出,满座皆惊。

详解石墨烯电池与超级电容器技术:来自未来的泡沫?

  巨大进步背后必有重大改变。特斯拉升级版Roadster的超长续航引起了人们强烈的好奇,人们纷纷猜测是不是采用了高能量密度的石墨烯电池?但特斯拉官方对外之宣称升级版Roadster采用了改进的锂电池,关于“石墨烯电池”的话题三缄其口。

 

“充电5分钟跑1000公里”只是假新闻?

  另一个让石墨烯电池备受关注的是西班牙Graphenano公司。该公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出世界首例石墨烯聚合材料电池,并通过实验对外宣称使用石墨烯电池作为动力的电动汽车最多能行驶1000公里,而其充电时间连8分钟都不用!

  这个消息当时震惊了全球的电动汽车行业,如此彪悍的性能,难道世界要翻开新的篇章了吗?冷静下来想想,充电不到8分钟即可充满,那需要多强的电流呢?我们以日产聆风做例子来计算一下,1度电大约能跑5公里,换算成1000公里则需耗电20kWh,以8分钟充满计算,即每小时需充电150kWh,这相当于电池在高压情况(500V)下需要300A的电流。能够承受300A电流的电线,想想都觉得瘆的慌。

  西方媒体曾报道称,这款“超级电池”将于2015年第一季度生产上市使用,但如今第二季度已结束,我们仍未看到此“神物”的出现。结合国内专家普遍的观点:西班牙的“超级电池”只是一条假新闻。而目前推出的石墨烯电池说来有点心酸,石墨烯在锂电池的应用只有百分之零点几的添加剂,没有一家企业能真正有产品推出来。

  二、寄望石墨烯还不如期待“超级电容器”

  超级电容器比超级电池靠谱多了

  什么是超级电容呢?超级电容是一种储能用的电化学元件,与传统电容器有异,与电池更是相去甚远。它又叫双电层电容器,具有许多优点:功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、充放电线路简单、安全可靠等。

详解石墨烯电池与超级电容器技术:来自未来的泡沫?

  下面我们来仔细看看它和锂电池之间的差别。

  (1)功率密度高,可达300W/kg~5000W/kg,这相当于锂电池的2~30倍;

  (2)充放电时间短,充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上;

  (2)循环使用寿命长,深度充放电可循环使用次数超过50万次,这是普通锂电池的500倍,即如果对超级电容每天充放电20次,仍可连续使用68年。究其原因,其在储能的过程中不发生化学反应,储能过程是可逆的,所以超级电容器可以反复充放电数十万次;

  (4)工作温度范围宽,超低温特性好,温度范围宽-40℃~+70℃,这是“娇生惯养”的锂电池无法适应的;

  (5)充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路;

  (6)安全系数高,长期使用免维护,不会出现爆炸和着火等问题。

  这样的优点比之石墨烯超级电池也是不遑多让,且目前已有超级电容公交车亮过相,自是比后者又多了一层现实的质感。在新能源汽车界,人们对超级电容器抱以极大的期待。

  缺点无法忽视 但现实让人振奋

  说了这么多,全是超级电容器的优点。但好比一个硬币有两面,超级电容器也有着无法忽视的缺点。

  超级电容器的安装位置有讲究,不合理的话很容易引起电解质泄露等问题,破坏电容器的结构性能;虽说超级电容器的充放电电路简单,但仅限于直流电路的使用,其内阻比较大,不适合交流电路的运行要求;然后由于超级电容器是新一代高科技产品,价格相对较高,充电一次只够电动汽车行驶几公里,每千瓦时的蓄能产品价格却是电池的近10倍,实际运行的成本投入会很大。这几个问题是超级电容器在电动汽车应用上难以大量推广、单独使用的瓶颈。

详解石墨烯电池与超级电容器技术:来自未来的泡沫?
你能想象出一辆公交车跑一个站然后就要充电一次的情形吗?这种情况下,我们需要在公交车沿线设立许多充电装置(幸好超级电容充电快,乘客上下车时间就可以把电充好)。

  在2010年的上海世博会也进行了试验运行。湖南长沙的中上汽车在超级电容开发上已经达到新的高度,目前作为示范应用的容量能达到15万法拉,这种超级电容的公共车辆一次最长可以行驶20公里左右,充电时间仅需3分钟左右就可充好。

  在第六届国际电池工业展览会上,上海奥威科技开发有限公司也展示了一款新型超级电容,能量密度较普通超级电容提高了50%以上,而在功率上略有降低,更适合搭载在公交车上,使原本需要频繁充电的超级电容公交车可以一次性跑20公里。

  这样看来,超级电容器比石墨烯电池更像“续航焦虑”的破局者。

  三、市场分析与展望

  目前,超级电容器已经作为储能部件被应用,其使用效果显著,但主要发挥的还是配角作用。因为在短期内,超级电容器有其局限性,除电动公交外,它还不能作为普遍、独立的车用储能电源。

  在今年5月份财政部等多部委正式发布的《关于完善城市公交车成品油价格补助政策加快新能源汽车推广应用的通知》规定可获悉,10米以上锂电公交车每辆每年最多补8万元,而同样的超级电容公交车每辆每年仅补助2万元,以每辆车运营8年计算,一辆车就有48万元的补贴差距。国家似乎一直都认为超级电容器的研发是“另类的”。但超级电容车只是刚刚起步,一切自有市场的选择做决定,国家补助倒是其次的。

  与超级电容不一样,石墨烯获得了国家极大的重视,也有很多机构在研究这种“二维材料”。但这些研究显然是零散的,国家需要做的就是将它们全部划分然后整合。这样,“2015年量产石墨烯”倒成了期待,这对于超级电池也是一个好消息,我们且期待2015剩余的半年。

  写在最后

  其实石墨烯电池与超级电容器的技术之争由来已久。同是热门的前沿技术,同样备受关注被放在一起作对比在所难免。但这两项技术的缺点和优点一样明显,而且现在很多相关的研究仍停留在实验室阶段,很容易让人产生这是“未来的泡沫”的虚幻感。我们只能期盼有更多的实际运用,比如特斯拉升级版Roadster的电池。