當超級電容器遇上石墨烯 會擦出什么火花？

　　超級電容器是高效實用的儲能元件，而石墨稀作為電極材料，其各方面性能都較傳統(tǒng)的活性炭要優(yōu)越。人們熟知干電池、鋰離子電池，卻可能對電容器不甚了解。其實這些儲能器件都是由正負極(陰陽極)、隔膜、集流體、電解液與外殼等幾大部分構(gòu)成 ，更換其中的電極材料，電池則變成電容器。

　　電容器與超級電容器

　　由于具有不同的正負極材料，導致鋰離子電池與電容器的性能差異極大。例如，基于正極材料為磷酸鐵鋰的鋰離子電池，其能量密度比目前市面上最好的超級電容器的能量密度高出20多倍。而超級電容器的功率密度可以是鋰離子電池的30~100倍。如果以跑步選手做比喻，超級電容器是爆發(fā)能力超強的百米運動員，鋰離子電池則是耐力出眾的馬拉松選手。

　　電容器與超級電容器的區(qū)別，主要有以下幾個方面：

　　首先，電容器種類不同導致的儲電量不同。最小的電容器僅能儲存幾微伏電量，專用于電子控制器，例如老式收音機里就有許多電容器，用來調(diào)節(jié)電路功能。而一個560毫升飲料瓶體積大小的超級電容器，則可以儲存3000~6000法電量。

　　其次，超級電容器能瞬間提供較大電流。重型機械啟動的初始電流是正常運行時的3~6倍，而一般的供電系統(tǒng)沒有這么大的設(shè)置裕度。使用超級電容器可極大簡化啟動系統(tǒng)的配置，節(jié)省成本。因此，超級電容器構(gòu)成模塊，可用于啟動風力發(fā)電機中的槳葉;輔助吊車與大型卡車、輕軌車等的啟動。

　　此外，超級電容器還能夠可逆充放電50萬至100萬次，而最先進的鋰離子電池也很難超過1萬次(大多在3000次)，更不要說普通家用轎車上的電瓶(鉛酸電池)僅能可逆充電300余次。所以，超級電容器常被用于充當飛機艙門的備用電源，一旦飛機遇到事故斷電時，長期不用、但隨時待命的超級電容器便能發(fā)揮關(guān)鍵作用。也正是由于這種超長的使用壽命，出現(xiàn)了以下兩種有意思的情形。

　　(1)盡管目前以每瓦時的儲電成本來看，超級電容器遠不及鋰離子電池，但是在兩者的全生命周期里，超級電容器能夠儲存的電量卻遠大于鋰離子電池。

　　(2)由于超級電容器可循環(huán)工作50萬~100萬次，而配備了超級電容器的機動車本身都沒有其壽命長(機動車一般15年左右報廢)。所以機動車報廢時，可以把性能良好的超級電容器拆下，在別處實現(xiàn)可循環(huán)利用。超級電容器這種超長壽命的特點或許也解釋了為什么目前其市場開拓遠不如鋰離子電池。

　　中國發(fā)展超級電容器的機遇

　　電容器的結(jié)構(gòu)示意圖及電極材料種類

　　長期以來，由于其能量密度低，超級電容器在歐美市場上是能源儲存的配角。同時，由于歐美城市規(guī)模小，人口密度較低，市場飽和，全世界的目光也越來越寄希望于中國的巨大市場。

　　首先，在能量回收系統(tǒng)中的應(yīng)用，如車輛剎車、起重機減速等，傳統(tǒng)都是機械能通過摩擦作用完全耗散為熱能而浪費掉。而超級電容器通過機電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠?qū)C械能變?yōu)殡娔軆Υ?，并釋放于事先?gòu)造好的備用電路中，從而起到節(jié)能作用。這個市場非常巨大，也是我國提高能源利用效率的重要實現(xiàn)途徑之一。

　　目前我國已經(jīng)成為國際高速公路里程最長的國家，眾多穿梭于公路上的大巴車，將是利用超級電容器回收能源的理想工具;同時，我國房地產(chǎn)業(yè)發(fā)達，高層辦公與住宅中電梯運行頻繁，如果使用能夠迅速響應(yīng)的電容器，則既容易啟動，又可回收能源。

　　超級電容器雖然充電量小，但充電速度很快，一般可在半分鐘至一分鐘的時間內(nèi)充滿。試想任何一個公交站點，在乘客上下車的時間內(nèi)，車輛就可充滿電并運行至下一站，可以充分實現(xiàn)運行能量低，且環(huán)保綠色無污染，對于我國已經(jīng)定型的大城市公交系統(tǒng)來說，具有非?，F(xiàn)實的意義。

　　而對于城區(qū)面積不太大，交通相對不擁擠的中小型城市來說，使用充電快，但充電量不高的超級電容器，也不會使其電量在擁擠等待的過程中被耗光，同樣是有利的選擇。相比較而言，充電時間需要幾個小時的以鋰離子電池為動力的電動汽車，占用了大量的停車場與道路資源，在大城市中的發(fā)展受到制約。

　　同時，超級電容器具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，還可以被用于路燈等市政照明系統(tǒng)中，使這些照明系統(tǒng)免于修理與維護，在全生命周期里這將是一種有效降低儲電成本與基建成本的選擇。

　　車用系統(tǒng)一直是鋰離子電池與超級電容器的戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域。目前歐美的觀點是二者搭配使用。即電動汽車在啟動、爬坡與剎車時，使用超級電容器，而在穩(wěn)速續(xù)航時，則使用鋰離子電池。這種能源利用路線雖然合理，但也局限了超級電容器的功能，即超級電容器處在從屬地位，無法作為主動力電源使用。而在我國，通過大量的實踐，已經(jīng)產(chǎn)生了純超級電容器驅(qū)動的城市輕軌示范線及城市公交大巴示范線，有效滿足了大量旅客的即時性或瞬態(tài)快速輸運，代表了一種發(fā)展趨勢。

　　此外，我國大城市的道路密度不足，車量多，絕對車速慢，在怠速下的尾氣排放占小汽車排放的大頭。由于目前小汽車用的電瓶(鉛酸電池)可靠充放電次數(shù)太少，如果使用能50萬至100萬次可逆充放電的超級電容器，就可在怠速時，將內(nèi)燃機滅火，需要時，再迅速啟動，有效降低尾氣排放，實現(xiàn)綠色交通。

　　石墨烯助力超級電容器發(fā)展

　　不同儲能器件的大致性能范圍圖

　　小型汽車具有巨大的市場。由于車用系統(tǒng)的空間有限且增加重量會增加能源消耗，決定了超級電容必須具有能量密度高、體積小的特點，因此提高其能量密度成為應(yīng)用突破的關(guān)鍵。這就要求對目前商用產(chǎn)品進行升級換代。以目前市售的雙電層電容器為例，大多數(shù)操作電壓在2.7伏，使用活性炭為電極材料以及使用有機電解液，活性炭電極材料的電容小于200法/克，電容器件的能量密度小于6~7瓦·時/千克(或瓦·時/升) 。

　　理論上，能量密度與電極材料的電容值成正比，與操作電壓的平方成正比，這就決定了提高工作電壓，是實現(xiàn)高能量密度的關(guān)鍵。事實上，手機電池與鋰離子動力電池也都在努力提高工作電壓。

　　而提高工作電壓，除了需要更換化學穩(wěn)定性更高的電解液，還需使用純度更高的碳電極材料。一般而言，活性炭是由椰殼、杏殼、石油焦等炭化而得，可能含有金屬雜質(zhì)以及在活化處理過程被引入的氧、氮、磷等雜質(zhì)雜質(zhì)在水性電解液(1伏)下能夠起氧化還原反應(yīng)，貢獻法拉弟贗電容。但在高電壓下，這些雜質(zhì)會導致電解液持續(xù)分解，使器件脹氣導致內(nèi)阻變大甚至破壞器件，必須清除。

　　同時，活性炭是“內(nèi)凹”結(jié)構(gòu)的微孔碳，，孔徑大都小于0.7納米。對于有機液體及離子液體等電解液來說，離子在活性炭內(nèi)部的傳輸就像是在繞迷宮，會導致擴散阻力變大以及表面利用率變低。

　　而石墨烯是一種SP2雜化的碳，化學穩(wěn)定性遠高于以SP3雜化的活性炭。同時，石墨烯的表面全為“外凸”表面，十分有利于電解液的離子接近與吸附或脫附，實現(xiàn)快速的充放電過程 。特別需要指出，石墨烯可用高純度的烴類以化學氣相沉積方法，在高溫下裂解制備，在原理上既能保證大的比表面積，又能保證無金屬摻入的高純度，從而具備了眾多的優(yōu)異性能。

　　在電化學儲能被納入國家《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，超級電容器迫切需要提升品質(zhì)的當下，石墨烯材料已經(jīng)歷了十余年的發(fā)展與認識，終于有了一個恰逢其時的好時機。