2020年11月10日 | 杂交水稻解决了吃饭，超级电容器和电池杂交呢？

袁隆平院士的超级杂交水稻解决了全国人的吃饭问题。超级电容器和电池的杂交后代，将给电动汽车带来更高的续航里程和动力，治好人们的电动车焦虑症。

除了如今普遍应用的电池之外，超级电容器也可以为电动车提供驱动力。如果把电池比作一个马拉松选手，在长距离内提供稳定的放电。超级电容器就是一个短跑运动员，迅速释放大量能量。

快速放电并不是超级电容器的唯一优势，它还可以快速充电。因此它们能够吸收更多车辆减速时产生的电力，在制动能量回收系统中特别有用。不过，它们能够储存的能量只是电池可储存能量的一小部分，因此，在持久力和耐力上，它们比电池差远了，工作不了多久就会力不从心。

工程师们一直在尝试，将超级电容器和电池的最大优势结合起来，制造出一种速度和耐力兼备的存储设备，并且已经取得了一些成果。

传统电容器（左）和超级电容器（右）

法国普罗旺斯地区艾克斯附近的Nawa Technologies公司声称，该公司已经研发出了类似超级电容器的电池可以将电动汽车的续航里程提高一倍以上，使其单次充电可行驶1000公里。Nawa称，这种新设备还可以在短短5分钟内充电到80%的容量。

功率密度 VS 能量密度 

电容器和电池的工作方式不同，所以将它们结合起来是很麻烦的一件事。电容器以物理方式存储能量，存储的是静止电荷，很容易快速放电。所以电容器具有良好的功率密度（单位重量的能量传输率），一个超级电容器的功率密度为每公斤几千瓦。

电池则是以化学方式储存能量，以活性物质的形式储存在两个电极中。这些电极在物理上是分开的，但通过一种叫做电解液的材料连接起来，离子可以从一个电极传递到另一个电极，以允许反应的进行。但是，只有当离子流通过电极之间的外部电路的电子流来平衡时，才会发生这种反应。这种电子流就是电流，这也是电池的工作原理。

因为化学反应过程需要时间，所以电池的功率密度很低。电动汽车使用的锂离子电池的功率密度仅为每公斤0.1千瓦。但由于化学物质可以容纳大量的能量，所以电池虽然功率密度低，却能量密度高（单位重量所能容纳的能量）。一块锂离子电池每公斤可以储存200-300瓦时（wh/kg）。而超级电容器一般能达到近10wh/kg。

传统电容器 VS 超级电容器

传统电容器和超级电容器都是由一对金属导电板组成（电极为阳极和阴极），由称为电介质的绝缘体隔开

当电压施加到电容器的金属板上时，一个板子的表面会产生正电荷，另一个板子的表面会产生相应的负电荷。而绝缘介质对电子的流动产生阻力，从而以静电场形式储存能量。在通过外部电路连接这两块金属板时，就像电池一样，电流就会流动。

超级电容器又称双层电容器，它使用电解液代替电介质，在电极上使用活性炭来扩大面积。两个金属板（电极）中间用隔膜隔开，隔膜一般采用的材料是石墨烯（用于现代超级电容器）

超级电容器介于电容器和电池之间。又称双层电容器。与普通电容器相比，超级电容器具有非常高的电容和更低的额定电压。超级电容器中加入了电解液，也带来了增加类似电池中化学反应的可能性。

物理储能 VS 化学储能

爱沙尼亚的超级电容器公司Skeleton Technologies就是这样打算的。

Skeleton公司已经开发出了由其所谓的弯曲石墨烯组成的金属板，用于一系列新的超级电容器。普通的石墨烯是一层单层的碳原子排列成六边形网格，它具有高导电性。而Skeleton的弯曲石墨烯则由褶皱的片状物组成。该公司希望，表面积的增加将使其新产品的能量密度达到10-15wh/kg，不过，这离超级电容器20-30wh/kg的理论最大值还差得远。

然而，这只是Skeleton计划的开始。该公司的工程师现在正与德国卡尔斯鲁厄理工学院合作，在其所谓的“超级电池”中使用弯曲的石墨烯。虽然这本质上仍然是一个超级电容器，以静电场的形式存储大部分电荷，但Skeleton的创新主管塞巴斯蒂安·帕尔曼（Sebastian Pohlmann）表示，电解液也将提供一些化学能量存储。该公司未透露其使用的电解液和涉及的化学成分。帕尔曼博士只说了“它与传统的锂离子化学成分大不一样”。

但他声称，总体效果将是15秒内充满电，并能提供60wh/kg的能量密度。Skeleton的目标是在2023年开始商业化生产这种产品。

超级电容器的工作原理

其他公司也在研究如何在超级电容器中增加化学储能。例如，奥地利格拉茨理工大学的研究人员已经开发出一款，在电容器的电触头上涂上多孔碳。其中一个电触头的工作原理就像电容板，另一个电触头则像电池电极。

与Skeleton不同，格拉茨小组使用的是碘化钠水溶液（即钠离子和碘离子的溶液）作为电解液。在电极上，碘化物变成碘元素，在放电过程中，碘元素在多孔碳的孔隙中结晶。当设备充电时，这个过程又会反过来。板上的孔隙也同样起到容纳钠离子的作用。

根据其发明者最近在《自然》子刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表的一篇论文，格拉茨电池的性能超过了锂离子电池。例如，它能够充放电一百多万次，该团队成员卡马尔·阿巴斯（Qamar Abbas）说。同等容量的锂离子电池可能只能承受几千个循环。

那么，Skeleton和格拉茨小组都是采用改良的超级电容器架构，并添加一些特定的电化学。相比之下，虽然Nawa的产品确实也采用了改良的超级电容器板作为电极，但它使用了久经考验且值得信赖的锂离子成分来进行化学反应过程。

与Skeleton一样，Nawa已经在生产超级电容器。金属板是用该公司称为VACNT（Vertically Aligned Carbon Nanotubes垂直排列的碳纳米管）的工艺制造的。这将这些管子排列成一个微型的类似于刷子上的刷毛的阵列，极其微型化。一平方厘米大约有1000亿根，全部保持直立，这大大增加了可容纳电荷的表面积。

为了使VACNT板也能作为类似电池的电极使用，Nawa的工程师将纳米管变薄，以便为电池反应所使用的化学涂层腾出空间，同时也为锂离子进出管子之间的空间腾出空间。该公司认为，这种自由移动将使该装置的功率密度提高10倍。

扫描电镜图像显示的VACNT阵列

首先，该发明的阴极（电池中的正极）的纳米管将被涂上镍、锰和钴，这种搭配已经广泛用于制造这种阴极。传统的阳极（负极）也是以碳为基础的，因此以纳米管的形式使用该元素并不是一个很大的创新。不过，其他商业化程度较低的电池化学制品也应该可以使用VACNT电极。这些包括锂硫和锂硅，它们都有可能提高能量密度。

“硅的前景本来是很大的，但它在吸收离子时会膨胀，产生了使电池破裂的风险。VACNT电极中厚厚的纳米管就像一个笼子一样运作，以保持对硅的控制。”2013年参与创建Nawa的物理学家帕斯卡·布朗热（Pascal Boulanger）说，新的电极材料也可以与固体电解质一起使用，以制造固态电池。这些电池功能强大，坚固耐用，但商业化进程困难重重。

布朗热博士说，在与一些不知名的电池公司进行的测试中，VACNT电极在一种电池中实现了500wh/kg的能量密度，在另一种电池中实现了以体积计算高达1400wh/L的能量密度。这大约是传统的锂离子电池在重量和体积方面分别能达到的两倍。“我们已经非常轻松地做到了这一点。”他补充道，“所以我们相信还有更大的改进空间。”

Nawa透露与之合作的一家公司是Saft，这是一家由法国石油巨头Total下属的大型电池制造商，该公司热衷于从化石燃料中实现多样化。在Saft的客户中，有几支F1赛车队，他们的赛车也在使用电力。Saft还与欧洲大型汽车制造商PSA集团合作，生产电动汽车的电池。

当然，新设备的成功与否将取决于其制造成本。Nawa已经在建设一条大规模生产线，为其最新的超级电容器制造VACNT板。Nawa公司首席执行官葛卫凯（Ulrik Grape）表示，所使用的工艺是在一卷铝箔的两面部署纳米管，可以很轻松地转移到现有的电池生产线上，甚至可以降低电池制造成本。他预计首批“超级电容器-电池混合动力”电池将于2023年投入生产。

这种混合储能是否能与传统的锂离子电池竞争还有待观察。锂离子电池具有现成的优势，电池制造商已经投资数十亿美元建造巨大的“超级工厂”，以大量生产锂离子电池。然而，尽管电动汽车被炒得沸沸扬扬，但许多客户对锂离子电池的疑虑却挥之不去，续航焦虑、充电速度、成本等因素综合在一起。将超级电容器的特性与电池的耐力结合起来，至少可以克服前两个问题，从而真正开启一个无忧无虑的电动汽车时代。