光明网2024年10月13日发布:什么是超级电容？它们能否在未来的电动汽车中取代电池？

超级电容非常棒。但它们能否在未来的电动汽车中替代电池呢？

虽然它们跟电池相比有显著的优势，毕竟，它们更轻，充电更快，更安全，无毒，但在某些方面电池会彻底击败它们，至少现在是这样。

随着特斯拉等公司最近收购超级电容制造商Maxwell，超级电容可能即将取代电池，成为电动汽车的主要电源。

什么是超级电容？

超级电容器，又称电化学电容器，是近年来越来越流行的一种储能系统。它们可以被认为是类似于普通电容器和电池的混合体，但又不同于两者。

就像电池一样，超级电容器也具有由电解质隔开的正极和负极。但是，与电池不同的是，超级电容器像电容器一样以静电的方式储存能量，而不是像电池那样以化学的方式储存能量。

超级电容器也有一个介质分离器来分离电解质——就像电容器一样。这种内部的电池结构使得超级电容器具有很高的能量存储密度，特别是与普通电容器相比。

与电池相比，超级电容器确实比同样大小的电池存储的能量要少。但是，他们能够更快地释放它，因为放电不依赖于发生的化学反应。

它们的另一个好处是，它们可以多次充电而很少衰减(超过100万次的充放电循环很常见)。这是因为当电荷存储在它们内部时，不会发生物理或化学变化。

超级电容器最常用的电极材料是各种形式的碳，如活性炭、碳纤维布、碳化物衍生碳，碳气凝胶、石墨(石墨烯)和碳纳米管(CNT)。

超级电容器用于需要多次快速充放电循环而不是长期高能量密度储能的场合。此外，它们还用于汽车助推器包和动力组。

超级电容器能代替电池吗？

这个问题的答案在很大程度上取决于它们的应用场合。两者都有各自的优点和缺点。如前所述，电池的能量密度比超级电容高得多。

这意味着它们更适合于能量密度更高的应用场合，并允许设备运行更长时间。超级电容器的功率密度比电池高得多。这使它们成为高功率应用的理想选择，例如为汽车加速供电。

超级电容器的寿命比电池长得多。一般的电池可以维持2000-3000次的完全充放电循环，而超级电容通常可以维持100万次以上。

超级电容器更安全，毒性也更低。它们不含有害化学物质或重金属，也不像电池那样容易爆炸。

与电池相比，超级电容器有更大的工作范围。它们在这一领域轻而易举地击败了电池，可以在-40到+65摄氏度的范围内工作。

超级电容器的充放电速度比电池快得多，通常只需几秒钟。另一方面，电池的充电速度要慢得多(当然这取决于电池的大小和类型)。

超级电容器的自放电效率也比电池高得多。

与电池相比，许多超级电容器的保质期也要长得多。比如SkelCap工业超级电容器，可以一次储存长达15年，容量几乎没有下降。

与任何技术一样，使用它们的主要驱动力是成本效益。对于需要短脉冲能量的应用，从长期来看，超级电容器是更经济的选择。

然而，对于需要长时间持续低电流的应用，电池是一个更好的选择。

超级电容器能否在未来的电动汽车中取代电池？

正如我们所见，超级电容最适合在短时间内需要大量电能的情况下使用。就电动汽车而言，这意味着当汽车需要能量爆发时(比如在加速时)，它们将比电池更好。

事实上，这正是丰田对雅力士混合动力Hybrid-R概念车所做的事。它使用超级电容器就是为了这个目的。

标致雪铁龙也开始使用超级电容器，作为其启停燃油节能系统的一部分。这依赖于更快的初始加速度。

马自达的i-ELOOP系统也使用超级电容在减速过程中存储能量。储存的能量用于发动机的启停系统。

在日常驾驶中，超级电容器还不能代替电动汽车中的电池。由于这个原因，锂电池很可能在不久的将来成为电动汽车的首选电源，直到开发出更好的替代能源。

许多人认为，随着能量回收系统在减速过程中的普及，超级电容器将变得越来越普遍。这种储存的能量可以在加速时重复使用，而不是直接从电池取电。

然而，根据这项研究，当“电力需求小于电动机的功率容量时，它们可以在混合动力汽车中代替电池；当车辆动力需求超过电机动力需求时，发动机运行满足车辆动力需求，并为超级电容器单元提供充电动力。

最近对石墨烯超级电容器的研究可能意味着电动车电池的时代可能很快就会结束。这项研究由莱斯大学和昆士兰科技大学的科学家合作完成，发表在《电源与纳米技术杂志》上。

他们研发的溶液由由两层石墨烯组成，在它们之间具有电解质层。这层薄膜很强大，能在短时间内释放大量的能量。

但这是有限制的，它毕竟是一个超级电容。这项研究的不同之处在于，他们建议在未来的电动汽车中，可以用大量的超级电容器来替代电池，以替代笨重的电池。

例如，可以将它们集成到车身面板、车顶板、地板甚至车门中。理论上，这可以为汽车提供所需的所有能量，并使其比电池驱动的电动汽车轻得多。

这种电动汽车的充电速度也比电池驱动的电动汽车快得多。但是，像所有的超级电容一样，这种解决方案仍然不能像标准电池那样储存那么多的能量。

“未来，希望即将开发的超级电容器存储比锂电池更多的能量，同时保持释放能量的能力提高10倍——这意味着汽车可以完全由超级电容器供电，”研究报告的合著者Jinzhang Liu说。

“一次充满电后，这款车应该能跑500公里(310英里)——类似于汽油动力汽车，是电动汽车电流极限的两倍多。”

电动汽车制造商也可能对未来汽车使用超级电容器的可能性感兴趣。例如，特斯拉已经“先行一步”，最近收购了一家超级电容和电池组件制造商Maxwell。