快充电池的潜在对手——超级电容器
储能系统对于新能源汽车至关重要，新能源汽车目前暴露的诸多问题也主要集中在动力电池技术当前的局限上。未来新能源汽车要想突破这些局限，除了动力电池本身技术进步外，还可以选择其他可以替代的储能技术。而超级电容器作为其中一项潜在的替代技术，却在很多时候被混淆在了电池概念中，比如去年一度被热议的“充电7秒钟，跑35公里石墨烯电池”新闻的主角其实就是超级电容器。那么这一期就让我们来扒一趴它的真面目。
所谓超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor）是一种电化学元件，通过极化电解质来储存电能，又叫电化学电容器(Electrochemical Capacitor, EC)或法拉第电容；其根据工作原理的不同可以分为双电层电容器(Electrostatic double-layer capacitor)和赝电容器（Electrochemicalpseudocapacitor）两类。与电池不同的是其储能过程不发生传统意义上的化学反应，即不生成可稳定存在的新物质，也就是说超级电容器储能可以认为储存的仍是电能，不需要涉及能量的转化，而电池实际上是将电能通过化学反应转化为化学能进行储存。
讲了那么多科学术语，可能并不方便大家理解两者的不同。那么更加形象点，我们就可以从更常见的储热取暖来举个例子——超级电容器储电的原理就好比拿保温瓶储存一瓶热水，其直接储存的是热水中的热能；而电池储电的原理就好比拿保温瓶分隔保存了半瓶生石灰和半瓶水，需要时通过生石灰和水混合得到热能，其直接储存的是生石灰中的化学能。而正因为不需要这一步能量转换，所以超级电容器在储电过程中的能量损失非常小，而且几乎无副反应，因而可以达到很高的充放电速度和循环寿命，一般均能达到100C以上的倍率并反复使用数十万次。
资料来源：《高比能超级电容器的研究进展》
过去我们强调过一般动力电池的标准充电速度都较慢，其额定倍率大多在1C左右，所以目前根本不可能出现什么“充电7秒钟，跑35公里”的情况。但如果使用超级电容器，充电7秒钟完全不是问题，那么为什么电动汽车的储能路线最后依然选择了动力电池而不是超级电容器呢？其实问题就在于超级电容器的能量密度过低，即便7秒钟充满了，可能你连35公里都跑不到。表一给出了超级电容器当前的一小部分科学研究成果，可以看到很多研究阶段的超级电容器的能量密度只有10-50Wh/kg，而市面随处可见的三元锂18650电池的能量密度就能达到170Wh/kg左右，两者的差距有着3-10倍。可想而知，一旦把锂电池全部换成了超级电容器，即便不考虑成本差距，这3-10倍的里程缩水恐怕就是难以接受的。
当然啦，就像我过去讲锂电池快充技术时提过的，在城市公交等路线相对确定的市场中，续航里程的重要性会大大下降，因此既然超级电容器循环寿命那么好，充电速度那么快，那么完全可以用在公交上，每到站停靠的时候充一下嘛。笔者学生时代曾经做过一道物理题，讲的是一辆地铁进站停靠时进行充电，计算相关的充电参数来使列车顺利到达下一站点。而这道题的现实原型就是2014年由前“中国南车”展示的首列超级电容100%低地板有轨电车。那么既然有轨电车可以，那么无轨公交同样也可以实现，所以到了2015年“中国南车”就搞出了超级电容公交车，并将其在宁波投入了实际运营（196路和306路），打出了“充电30秒，行驶5公里“的口号。根据查到的资料，南车的超级电容器的能量密度随大小规格不同分布在5-20Wh/kg的区间内（越大规格，能量密度越低），比磷酸铁锂动力电池低不到20倍，那么从理论上来说，这样一个口号还是比较中肯的，并没有吹嘘的成分；而从近两年的运营情况来看，中国南车产品的品质也是值得信赖的，并没有出现上海市曾经的11路和26路超级电容公交所发生的一系列问题。那么如果成本也不是问题，恐怕未来这超级电容器电池也将在电动公交领域分一杯羹。
图1 目前主要电能储存技术输出功率与能量密度示意图
从上面的介绍不难了解到超级电容器和锂电池虽然目的都是储存电能，但却各有所长。如图1所示，超级电容器输出功率高，但是能量密度是弱项；而锂电池能量密度大，但是输出功率还比较有限，这就导致两者的主要应用范围截然不同，彼此并行不悖——如UPS中既有电池也有超级电容，超级电容用于启动阶段，避免突然功率波动带来的影响，而电池用于后续的供电支持；部分电动汽车亦是两者兼有，超级电容在汽车的启动加速阶段供电，以供给高功率，并在刹车等阶段回收能量，而电池则负责接管其他阶段的供能。
当然事物总是在不断发展的，随着科学研究的不断进步，超级电容已经表现出了能够达到锂离子电池水平的潜力。事实上在锂电池领域一直为我诟病的石墨烯在超级电容器领域就大有可为。最简单的电容器是将两块金属板平行分隔靠在一起，而其储能的多少就与两块金属板的面积、两块板的间距以及两块板之间介质的性质有关。超级电容器中亦可类比，其所储存的能量和电极材料的比表面积大大相关。因此石墨烯超高的比表面积和优秀的导电性就很可能在未来替代现有的碳材料电极，从而将形成电容的尺度从微米降到纳米量级，大大提高其能量密度。自2012年起就间或有过一两篇通过石墨烯使超级电容器能量密度达到100Wh/kg的学术论文被报道出来，而这样的能量密度已经达到了磷酸铁锂电池的水平。尽管也许这些科学前沿成果离产业化还很远，但一种可能性已经得到了昭示，未来一旦证明工艺可以重复并放大，那么只要解决石墨烯的成本问题，就能在很大程度上实现对锂离子动力电池的取代。
综上所述，超级电容器和锂电池是两种截然不同的器件，两者各有所长，因而各司其职，彼此少有冲突。但是随着石墨烯等新技术的引入，超级电容器已经表现出了极大的能量密度提升空间。而对于现阶段通过牺牲能量密度来追求充放电功率的快充技术，其面临的就是一场与大容量超级电容器的赛跑，一旦后者迎头赶上，那么恐怕留给快充电池的机会就不多了。
【参考资料】
1、张熊、孙现众、马衍伟，高比能超级电容器的研究进展，中国科学:化学，2014（7），1081-1096。
查看相关精彩话题：
特别篇：
1.国内新能源汽车行业现状
方旭资本是A类券商红塔证券的直投平台之一，立志于成为具备投行服务能力和价值发现能力的综合性资管平台。
原创：徐余颛，中科院凝聚态物理博士在读。
