電動(dòng)車(chē)車(chē)主一直深受續(xù)航里程的困擾,每次節(jié)假日都會(huì)有抱怨聲響起。
先看續(xù)航里程憂慮的根源所在:
傳統(tǒng)汽車(chē)用的汽油能量密度均值是13000 Wh/kg?,F(xiàn)在主流鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg,即使按最高300算,也跟汽油差得不是一星半點(diǎn)。不要慌,這里面還有一個(gè)能量轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。數(shù)據(jù)顯示,純電動(dòng)車(chē)的能量轉(zhuǎn)換效率均值是86%,而內(nèi)燃機(jī)車(chē)只有30%。也就是說(shuō)鋰電池超過(guò)八成能量都轉(zhuǎn)化為動(dòng)力,汽油則做了大量“無(wú)用功”。這么折算下來(lái),傳統(tǒng)汽車(chē)可用的能量密度比鋰電池高15倍。
但是鋰電池要提高能量密度到15倍,是“不可能的任務(wù)”。雖然實(shí)驗(yàn)室里曾經(jīng)將能量密度提高到10倍,但電池充放電幾十次就報(bào)銷(xiāo)了。
那么有可能有沒(méi)有將能量密度提高到適中的程度,還能保持理想的充放電次數(shù)?
電容是最基本的電子元器件之一,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)兩層金屬箔片夾著一層絕緣片,外面再加上一層保護(hù)殼。這兩個(gè)箔片之間就是儲(chǔ)存電能的空間。電容是作為瞬間供電使用,所以存儲(chǔ)的電能也不多,能量密度和電池比,差得就太遠(yuǎn)了。
但是電容有一個(gè)電池不具備的優(yōu)點(diǎn):充放電壽命超長(zhǎng),10 萬(wàn)次毫無(wú)壓力,甚至充放電幾十萬(wàn)次,性能衰減都很小。所以它的壽命基本和產(chǎn)品本身相始終。
之所以會(huì)具有這么優(yōu)良的充放電壽命,是因?yàn)殡娙輧?chǔ)能是基于物理原理,不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)??梢赃@么想象:電容充電時(shí)是將電能一股腦直接倒入電容器,放電時(shí)又一股腦倒了出去;而鋰電池充電時(shí)是將電能先轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,放電時(shí)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
既然有這樣的優(yōu)勢(shì),就不放擴(kuò)大其電能儲(chǔ)存量。這就是超級(jí)電容。即將電容器做成一個(gè)儲(chǔ)存器,而不僅僅瞬間供電。但面臨的最大難關(guān)就是如何提升超級(jí)電容能量密度。
上世紀(jì)90年代,美國(guó)超級(jí)電容器生產(chǎn)商EEStor用好幾年的時(shí)間將大量財(cái)力物力投向提高超級(jí)電容能量密度。當(dāng)時(shí)EEStor爭(zhēng)取到了巨額的研發(fā)資金,還與電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)提供商ZENN公司達(dá)成了戰(zhàn)略合作。然而,數(shù)年研發(fā)后,多名參與此項(xiàng)研究的科學(xué)家最后得出了令人遺憾的結(jié)論:我們很想打破超級(jí)電容器的市場(chǎng)僵局,但現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。EEStor以失敗告終。
它的失敗也使得很多資本對(duì)超級(jí)電容器的研發(fā)持觀望態(tài)度,二十年來(lái),超級(jí)電容器的技術(shù)進(jìn)展并不是很快。盡管超級(jí)電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少,但這項(xiàng)技術(shù)目前還有太大的進(jìn)步空間。
超級(jí)電容提升能量密度后可以做電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源,我國(guó)早就開(kāi)始利用這一技術(shù)。2010年上海世博會(huì)中曾經(jīng)展示了36輛超級(jí)電容公交車(chē),這些公交車(chē)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)了較長(zhǎng)時(shí)間,直到現(xiàn)在還在正常運(yùn)營(yíng)中。
但這種技術(shù)并沒(méi)有普及到其他路線和其他城市。這還是因?yàn)槟芰棵芏鹊蛯?dǎo)致的“續(xù)航里程”問(wèn)題。雖然充電時(shí)間大大縮短,充電一次只需幾分鐘,但只能維持大約 40 公里的路程。在最初使用中,公交車(chē)甚至每停一站就需要充一次電。
有續(xù)航憂慮,是因?yàn)檫@些超級(jí)電容的能量密度甚至還不如鋰電池,最根本的原因是,超級(jí)電容里的碳系材料的介電常數(shù)依然不夠高。
全世界都在尋找介電常數(shù)更高的材料,也就是那一層絕緣片的合適材料。那一層絕緣片的介電常數(shù)越高、越薄、本身耐壓越高,那么電容的容量就可以越大,也就是能量密度就越高。
中國(guó)的技術(shù)努力
近期,有報(bào)道稱(chēng),某頭部國(guó)有汽車(chē)集團(tuán)的研究室在2020年發(fā)現(xiàn)了一種全新的陶瓷材料——鈦酸銣功能陶瓷。這種材料和其他任何人類(lèi)已知材料比起來(lái),介電常數(shù)高的讓人不敢相信!
報(bào)道稱(chēng),中國(guó)的這個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的這種陶瓷片的介電常數(shù)比起全世界其他團(tuán)隊(duì)高了十幾萬(wàn)倍,而且他們用這種全新的材料造出了超級(jí)電容。
這一超級(jí)電容有如下優(yōu)勢(shì):
1)能量密度是普通鋰電池的 5~10 倍;
2)充電速度快,由于不經(jīng)過(guò)電能/化學(xué)能的轉(zhuǎn)化損耗,電能利用率高達(dá) 95%;
3)循環(huán)使用壽命長(zhǎng),10~50 萬(wàn)次的充電循環(huán),使用壽命≥ 10 年;
4)安全系數(shù)高,不存在易燃易爆物質(zhì);
5)綠色環(huán)保,無(wú)污染;
6)超低溫特性好,溫度范圍寬 -50 ℃~+170 ℃。
能量密度能達(dá)到普通鋰電池的5到10倍,那就是說(shuō)不僅是充電快,一次充電起碼能跑2500到5000 公里,續(xù)航里程的煩惱一掃而空。而且它的作用還不止于做動(dòng)力電池,這么強(qiáng)大的能量密度,這么高的“耐壓度”,做“緩沖儲(chǔ)能站”也是很合適的,可以順利解決電網(wǎng)瞬間承受問(wèn)題。
當(dāng)然,很多好東西是在實(shí)驗(yàn)室挺好使,實(shí)際量產(chǎn)就有麻煩。但是這家公司已經(jīng)表示,這種黑科技有望在“十四五”期間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,可適用于電動(dòng)汽車(chē)、可穿戴電子、高能武器系統(tǒng)等領(lǐng)域。
今年8月24日,中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院研究員、博士生導(dǎo)師、重慶中科超容科技有限公司董事長(zhǎng)劉雙翼在接受媒體采訪時(shí)介紹說(shuō),其研究的超級(jí)電容在高效能量收集、存儲(chǔ)等核心領(lǐng)域取得重大技術(shù)突破。
劉雙翼介紹說(shuō):“很多用電器件,比如汽車(chē)或者重型卡車(chē),如果它有電機(jī),制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的逆向電流,如果不利用回收就浪費(fèi)了?!薄叭绻堰@部分電流回收到存儲(chǔ)器件里面儲(chǔ)起來(lái),下次再用,會(huì)更加節(jié)能、增加電效率。如果電流特別大,就需要功率特別好的儲(chǔ)能器件來(lái)回收,電容器就發(fā)揮了作用。另一方面,如果短期內(nèi)需要大功率輸出,比如重型機(jī)械啟動(dòng),這時(shí)也需要用到電容器。”
從這一報(bào)道看,劉雙翼的超級(jí)電容器技術(shù)突出的是電機(jī)的制動(dòng)時(shí)的逆向電流由超級(jí)電容器儲(chǔ)存后,在啟動(dòng)時(shí)釋放。
國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)有哪些
雖然整體來(lái)說(shuō)研發(fā)速度并不快,但這一技術(shù)方向依舊吸引了很多企業(yè),尤其是儲(chǔ)能成為大氣候之后,已經(jīng)有越來(lái)越多的企業(yè)介入超級(jí)電容的研發(fā)和生產(chǎn)。目前,超級(jí)電容概念龍頭上市公司有如下:
法拉電子:廈門(mén)法拉電子股份有限公司是一家專(zhuān)業(yè)從事薄膜電容器和薄膜電容器用金屬化膜制造與研發(fā)的上市公司。
美錦能源:美錦能源是超級(jí)電容器制造“元老”。在2019年,美錦能源推出了“超級(jí)電容炭”這一研究成果,并已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)。
長(zhǎng)安汽車(chē):公司與中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所合作研制開(kāi)發(fā)的“超級(jí)電容器電極材料中試技術(shù)”暨電容炭的研制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目取得重大進(jìn)展,已完成中試線的安裝調(diào)試,成功制備了高品質(zhì)電容炭,項(xiàng)目建成后有望實(shí)現(xiàn)電容炭的進(jìn)口替代。
ST金剛:2020年2月21日公司在互動(dòng)平臺(tái)表示,公司已獲“一種雙電層超級(jí)電容器的制備方法”的專(zhuān)利,專(zhuān)利號(hào)為200910309908X。
從超級(jí)電容材料生產(chǎn)企業(yè)來(lái)看,還有如下公司:
元力股份、江海股份、銅峰電子、振華科技、安凱客車(chē)、東方鉭業(yè)、凱恩股份、思源電氣、江蘇國(guó)泰等。這些公司都在深度布局超級(jí)電容,客戶遍布工業(yè)、新能源、儲(chǔ)能等各個(gè)領(lǐng)域。
超級(jí)電容就其性質(zhì)來(lái)說(shuō),更適合應(yīng)用在城市公交車(chē)輛上,以及機(jī)場(chǎng)的擺渡車(chē)、飛機(jī)的牽引車(chē)、大型物流場(chǎng)站和港口的集裝箱運(yùn)輸和大的物流系統(tǒng)站內(nèi)到短運(yùn)輸車(chē)輛等這些領(lǐng)域。不過(guò)我國(guó)超級(jí)電容目前已經(jīng)到了擴(kuò)大應(yīng)用范圍,并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的階段。
我國(guó)超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模由2011年的13.9億元增長(zhǎng)至2020年的約154.9億元,年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30.72%。未來(lái)受新能源電網(wǎng)、軌道交通、消費(fèi)電子等下游應(yīng)用領(lǐng)域快速增長(zhǎng)帶動(dòng),預(yù)計(jì)2022年中國(guó)超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到200億元。