超級電容電池為什麼沒普及

2020-12-06 電子發燒友

超級電容電池的缺點和它的優點一樣明顯。由於超級電池過快的放電速度和過低的內阻，如果設計不好的話，本身就蘊含著「能量突然大爆發」所隱藏的風險。超級電容放電可以非常快，最大輸出功率可達24KW/Kg，一個50Kg的超級電容電池，最大輸出功率1200KW，一腳電門踩下去，車能飛起來。

自放電速度比電池快得多，通俗的說就是「存不住電」。超級電容始終是由電容組成的，電容是是由兩塊電極之間夾一層絕緣電介質構成，無論如何兩塊電極之間都會有電子的流動，這樣就會造成儲存電量的減少。超級電池充滿電之後過一段時間就可能沒電了。

不耐高溫，超級電池的工作溫度是-40-70℃，耐高寒，溫度過高會影響工作，甚至損壞電池。

最大的缺點仍然是成本。雖然世界各國都在加快超級電容的研製，但要想超級電容在民用中普及，尚需時日。

我們可以看見，超級電容的缺點是可以克服，目前其技術尚不成熟。可是超級電容的發展速度非常快，在未來幾年內就能運用到民用上，那為什麼在汽車上仍難覓其蹤跡呢？

這則是不少業內人士所關心的問題。這位記者提出的疑問歸納起來有：

1、生產的成本問題；

2、製備工藝工業化的可行性，特別 是氮化工藝的環境影響問題；

3、能量密度離電動汽車的要求還差得太遠，如何解決的問題。

就這些問題，介紹一下這方面技術的進展：

一、成本問題

用SiO2模板，然後採用CVD工藝用CH4做碳氮源，長出石墨烯材料，再用氫氟酸腐蝕掉模板，得到三維石墨烯塊材料的工藝，確實其成本太高工業化生產難以接受。能否採用其它已有的成熟工藝降低成本呢？

小編認為，是有可能的。例如：採用溶膠凝膠法用石墨烯微片低成本地製備石墨烯氣凝膠三維塊。眾多的研究文獻已公開了這方面的技術，浙江大學高超教授研究的三 維石墨烯氣凝膠製備技術則是這類技術的榜樣。發條橙子的文章中也指出：「3D石墨烯泡沫具有很大的比表面積，以及相應帶來的良好的三維導電網絡，用這樣的 集流體會給材料的性能帶來很多加成，在這方面中科院金屬所成會明院士組有不少工作可以參考。」

但是，採用溶膠凝膠法實現低成本的關鍵，是如何低成本地製備石墨烯微片。

現廣泛採用化學液相機械剝離法製備二維的氧化態石墨烯微片成本高，還存在使用化學材料對環境影響大、需將石墨烯還原處理工藝長導電性下降、二維微片易粘結成團等等問題。一種物理液相機械剝離法製備本徵還原態三維石墨烯微片技術，製備成本低，對環境友好，為三維石墨烯電極塊用溶膠凝膠法低成本的製備創造了條件。

二、氮化處理對環境的影響問題

若工業化生產中採用實驗室中常用的濃硝酸處理氮化工藝，確實環評很困難通過。

在某國家級產業中心工程中，已使用了一種簡單、低成本地解決氮氧化物汙染的技術。後巴斯夫為獲得此技術和其它關鍵技術收購了此公司至今也已十多年，生產線還在正常生產。若中科院上海矽酸鹽所的超級電容器工業化時採用此淨化工藝即可解決對環境影響的問題。

三、能量密度問題

能量密度是超級電容器的「死穴」。為提高超級電容器的能量密度，國內外都投入了大量的資金和人力在研究。但是，國內外研究的路線，基本是研究新型電極材料以 提高電極的比容量，或研究於電極表面產生化學反應的複合型電極，中科院上海矽酸鹽所的超級電容器公開之前，超級電容器的能量密度問題還沒見突破性進展。

通常超級電容器的碳電極的比容量小於250法拉/克，目前已知最高比容量的材料為氧化釕，其比容量為900法拉/克。但氧化釕的價格太貴，工業生產中不可能 應用。黃富強研究員等採用氮化技術將石墨烯電極的比容量提高至855法拉/克，是目前已報導的高比容量材料的最高水平，這是難能可貴的。

眾所周知，提高超級電容器的工作電壓即可提高電容器的能量密度，因為電容器的儲能量與電容器的工作電壓的平方成正比。

超級電容器用電解液主要採用水系電解液。水系電解液工作電壓一般不超過1V，但與有機電解液相比，水系電解液的導電性較好（如H2SO4溶液可達0.8S/cm），價格較低，而且比較環保。

提高超級電容器的工作電壓的研究，國內外都集中於研究新型高電壓工作的電解液。採用有機電解液能提高超級電容器的工作電壓（2.3-2.7V），可用於3V的離子液體電解液也有報導，但是也因製備成本高，工業化生產也難以接受。

還有什麼辦法可提高超級電容器的工作電壓呢？從電極結構改進提出的極化膜超級電容器，將有可能解決這一問題。

超級電容器是建立在雙電層理論基礎之上的非法拉第電容器。雙電層理論19 世紀由Helmhotz 等提出。Helmhotz 模型認為電極表面的靜電荷從溶液中吸附離子，它們在電極/ 溶液界面的溶液一側離電極一定距離排成一排，形成一個電荷數量與電極表面剩餘電荷數量相等而符號相反的對壘界面層。

為什麼電極與電解液接觸的表面不發生正負電的中和呢？至今還沒見任何文獻解釋此問題。

Helmhotz 雙電層理論提出至今已一百多年了，更精密的實驗儀器出現，你可從電泳實驗中觀察到，正負電荷/離子於電極、電解液界面上對壘時，接近電極的電解液層中有一 電中性層出現。本人認為正是電解液中與電極接觸的液膜發生極化產生了電中性層，阻止了正負電荷中和。當超級電容器的工作電壓高於電解液的電解電壓致電解液 分解時，極化膜被破壞，將導致超級電容器損壞，因此超級電容器的工作電壓受制於電解液的溶劑的分解電壓。

基於這一分析，如果於電極表面預 先製備一層固態可極化材料的薄膜作極化膜，在直流電場的作用下，極化膜被極化。極化膜阻止了電極與電解液中的正、負電子的交換，電解液中的離子於極化膜表 面仍與電極上的電子對壘儲能。因電容器的總電阻由正電極電阻/正極極化膜電阻/電解液電阻/負極極化膜電阻/負電極電阻串聯組成，電容器的工作電壓將分別 由各個分電阻按電阻值比例承擔。又因極化膜的電阻遠遠大於電解液的電阻，極化膜將會承擔遠遠大於電解液分電壓的電壓。若電解液仍承擔1V的電壓，電容器則 可使用較高的電壓工作成為高工作電壓的電容器，只需控制極化膜的分電壓低於其擊穿電壓即可。

固態極化膜的工作電壓達到3V甚至10V將是非常容易的事，你可知，美國EEStor的高介電常數薄膜電容器的介電膜工作電壓已達到了3500V。極化膜超級電容器的出現將會改變儲能器的遊戲規則。

超級電容器與鋰電池相比其優點已眾所周知，如果將中科院上海矽酸鹽所的41wh/kg超級電容器技術與極化膜超級電容器技術相結合，工作電壓由現在有1V提高至3-10V，能量密度則可提高9-100倍。在此高能超級電容器面前，您還會選擇鋰電池嗎？

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