超級電容的優(yōu)劣勢與未來應(yīng)用

現(xiàn)在，當(dāng)說到電動汽車動力總成設(shè)計(jì)時，“電池”不再是唯一浮現(xiàn)我們腦海中的詞匯。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，“超級電容”的誕生為電動/混動汽車開啟了全新的篇章。超級電容是繼機(jī)械式儲能方式和化學(xué)式儲能方式之后的第三代儲能方式——物理式儲能方式。

超級電容的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速地進(jìn)行充放電，并且功率密度要遠(yuǎn)高于鎳氫電池。得益于此，超級電容不僅能夠起到儲能、供能的作用，而且還具有使電動汽車短時功率提升的效用。

高科技研究公司Lux Research分析師Cosmin Laslau表示，超級電容不僅具有超高充放電效率，同時還能給制動能量再生系統(tǒng)和啟停系統(tǒng)帶來積極作用。一些歐洲和日本車企的微混汽車中采用超級電容，因?yàn)檫@些車型主要針對經(jīng)常需要啟停的城市路況，超級電容能更好地進(jìn)行能力回收。今年的法蘭克福車展上，豐田Yaris Hybrid-R便采用了超級電容。

Lux Research公司表示，現(xiàn)在全球消費(fèi)電子業(yè)務(wù)營收額約為3.66億美元，其中包括超導(dǎo)體和渦輪葉片控制器這類元件。該公司預(yù)計(jì)，這項(xiàng)數(shù)字將以每年18%的幅度增長。到2018年，重型商用車中將大幅配備超級電容，營收額將達(dá)3.23億美元，而乘用車中設(shè)計(jì)超級電容的營收額將達(dá)到1.52億美元。

該公司近期發(fā)布了一項(xiàng)名為《交通和電子產(chǎn)品中超級電容的增長趨勢》的研究報告。

傳統(tǒng)電池通過緩慢的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，而超級電容是通過在電極表面高速移動電子產(chǎn)生電能，也就是說超級電容能的產(chǎn)電效率更高。每個超級電容中含有一對圖上了活性炭的金屬板。

活性炭為多孔結(jié)構(gòu)，因此其表面積非常大，無論采用化學(xué)方式還是物理方式，都能牢牢地“鎖”住電荷。

電極對浸于有機(jī)電解質(zhì)中，用于加速電荷運(yùn)行。當(dāng)超級電容充滿時，每個碳電極上擁有兩層電荷載體涂層表面。這也是超級電容被稱為雙電層電容的原因之一。

汽車中的超級電容

本田開創(chuàng)了將超級電容用于汽車的先河。2002款FCX燃料電池試驗(yàn)車中搭載了本田稱作“ultracapacitor”的超級電容。

不過，直到幾年前標(biāo)致雪鐵龍與Maxwell技術(shù)公司簽訂合約，為旗下標(biāo)致和雪鐵龍微混汽車購買了一批超級電容器，用于e-HDI系統(tǒng)中，超級電容才算正式進(jìn)入量產(chǎn)化應(yīng)用階段。同樣地，馬自達(dá)在其i-ELOOP系統(tǒng)中采用了類似的電容技術(shù)，使電池在保證啟停功能的同時，還能實(shí)現(xiàn)制動能量回收的功能。

超級電容技術(shù)的支持者表示，超級電容相比傳統(tǒng)電池更適合于長時間工作，因?yàn)樗鼈兏€(wěn)定。不過在一般微混汽車中，車企仍然偏愛傳統(tǒng)電池，因?yàn)榇钶d超級電容將附帶一系列其他元件，包括直流-交流轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機(jī)等。這些元件將增加汽車的成本，除此以外，車身重量也將有所增加。

車企主要考慮在中混汽車中使用超級電容，或?qū)⑵渥鳛橐粋€能夠提升峰值功率的元件。Lux的分析師Laslau表示：“有多家原始設(shè)備制造商的工程師對超級電容器的應(yīng)用表現(xiàn)出興趣，例如在中混汽車中利用30-50個超級電容形成電容組。這將實(shí)現(xiàn)節(jié)能7%左右?！?/P>

Prinz團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是解決現(xiàn)有燃料電池在燃燒過程中一系列問題，氧離子在高溫下的移動速度遠(yuǎn)高于低溫，這就意味著如果想獲得高的工作效能，則必須讓燃料電池保持在高溫環(huán)境，原有的技術(shù)所要求的工作溫度往往高于500攝氏度，但這樣的高溫足以融化電池中經(jīng)常使用的鋅材料。像熔爐或由電池功能的加熱器可以用來為燃料電池提供反應(yīng)初始熱量，以加快氧離子穿越薄膜的速度；一旦氧氣和燃料開始發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量能夠反過來為薄膜加熱，讓它始終保持在合適的工作溫度。當(dāng)降低燃料電池工作溫度的時候，氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生能量中用于加熱薄膜的熱量供應(yīng)將會明顯的降低，但同時氧離子流動速度也會顯著減緩，這種情況下工程師們開始研發(fā)適用燃料電池結(jié)構(gòu)的更多材料，希望新型材料既要有高的性價比，還要有過硬的質(zhì)量保證。

較低的工作溫度代表著較慢的反應(yīng)速度和較低的氧離子傳遞速度，原來的做法是在速度和溫度之間做出權(quán)衡，但是Prinz團(tuán)隊(duì)則希望在更低溫的工作環(huán)境下，他們研發(fā)的燃料電池既不會減緩氧離子移動速度，也不會降低系統(tǒng)的效能。他們開展的核心工作是重新設(shè)計(jì)了固體氧化物薄膜結(jié)構(gòu)，使其在低溫下有著更好的氧離子傳遞效率。氧氣是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸，這也是為什么Prinz團(tuán)隊(duì)把他們的絕大多數(shù)努力和創(chuàng)新研究都集中在了薄膜的氧氣側(cè)。

傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結(jié)構(gòu)，平面薄膜易于加工生產(chǎn)，但沒能最充分地利用空間，所以Prinz團(tuán)隊(duì)對這種薄膜進(jìn)行了一系列的提升。首先，它們設(shè)計(jì)制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，從而增大了可以用來傳遞氧離子的表面面積；其次在起皺的表面設(shè)計(jì)出微型顆粒凸起結(jié)構(gòu)，看起來跟砂紙類似，進(jìn)一步增加了固體氧化物和氧氣的潛在接觸點(diǎn)；然后薄膜的厚度也得到了不小的減低，氧離子移動到燃料側(cè)變得更簡單方便。這款創(chuàng)新薄膜厚度僅有60納米，大約是玻璃紙厚度的兩百分之一。

Prinz團(tuán)隊(duì)工作人員還提到了一項(xiàng)提高燃料電池效能的創(chuàng)新技術(shù)，那就是他們?yōu)楸∧娡苛艘环N全新的催化劑，但具體材料還沒有公布。最后工程師們還為催化劑層使用了納米級顆粒凸起結(jié)構(gòu)，與砂紙式薄膜表面結(jié)構(gòu)有著異曲同工之妙：氧離子有更多的機(jī)會被吸收，以參與之后的氧化還原反應(yīng)。

Prinz相信他們的新技術(shù)將有效地推進(jìn)低溫環(huán)境下固體氧化劑燃料電池的研發(fā)進(jìn)程，低溫高效能的特性為將來推廣到商用供電電源領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。