雜交水稻解決了吃飯，超級電容器和電池雜交呢？

撰文 / 馬曉蕾

編輯 / 溫 莎

設計 / 杜 凱

來源 / Economist，作者：Anonymous

袁隆平院士的超級雜交水稻解決了全國人的吃飯問題。超級電容器和電池的雜交後代，將給電動汽車帶來更高的續航裡程和動力，治好人們的電動車焦慮症。

除了如今普遍應用的電池之外，超級電容器也可以為電動車提供驅動力。如果把電池比作一個馬拉松選手，在長距離內提供穩定的放電。超級電容器就是一個短跑運動員，迅速釋放大量能量。

快速放電並不是超級電容器的唯一優勢，它還可以快速充電。因此它們能夠吸收更多車輛減速時產生的電力，在制動能量回收系統中特別有用。不過，它們能夠儲存的能量只是電池可儲存能量的一小部分，因此，在持久力和耐力上，它們比電池差遠了，工作不了多久就會力不從心。

工程師們一直在嘗試，將超級電容器和電池的最大優勢結合起來，製造出一種速度和耐力兼備的存儲設備，並且已經取得了一些成果。

傳統電容器（左）和超級電容器（右）

法國普羅旺斯地區艾克斯附近的Nawa Technologies公司聲稱，該公司已經研發出了類似超級電容器的電池可以將電動汽車的續航裡程提高一倍以上，使其單次充電可行駛1000公裡。Nawa稱，這種新設備還可以在短短5分鐘內充電到80%的容量。

功率密度 VS 能量密度

電容器和電池的工作方式不同，所以將它們結合起來是很麻煩的一件事。電容器以物理方式存儲能量，存儲的是靜止電荷，很容易快速放電。所以電容器具有良好的功率密度（單位重量的能量傳輸率），一個超級電容器的功率密度為每公斤幾千瓦。

電池則是以化學方式儲存能量，以活性物質的形式儲存在兩個電極中。這些電極在物理上是分開的，但通過一種叫做電解液的材料連接起來，離子可以從一個電極傳遞到另一個電極，以允許反應的進行。但是，只有當離子流通過電極之間的外部電路的電子流來平衡時，才會發生這種反應。這種電子流就是電流，這也是電池的工作原理。

因為化學反應過程需要時間，所以電池的功率密度很低。電動汽車使用的鋰離子電池的功率密度僅為每公斤0.1千瓦。但由於化學物質可以容納大量的能量，所以電池雖然功率密度低，卻能量密度高（單位重量所能容納的能量）。一塊鋰離子電池每公斤可以儲存200-300瓦時（wh/kg）。而超級電容器一般能達到近10wh/kg。

傳統電容器 VS 超級電容器

傳統電容器和超級電容器都是由一對金屬導電板組成（電極為陽極和陰極），由稱為電介質的絕緣體隔開

當電壓施加到電容器的金屬板上時，一個板子的表面會產生正電荷，另一個板子的表面會產生相應的負電荷。而絕緣介質對電子的流動產生阻力，從而以靜電場形式儲存能量。在通過外部電路連接這兩塊金屬板時，就像電池一樣，電流就會流動。

超級電容器又稱雙層電容器，它使用電解液代替電介質，在電極上使用活性炭來擴大面積。兩個金屬板（電極）中間用隔膜隔開，隔膜一般採用的材料是石墨烯（用於現代超級電容器）

超級電容器介於電容器和電池之間。又稱雙層電容器。與普通電容器相比，超級電容器具有非常高的電容和更低的額定電壓。超級電容器中加入了電解液，也帶來了增加類似電池中化學反應的可能性。

物理儲能 VS 化學儲能

愛沙尼亞的超級電容器公司Skeleton Technologies就是這樣打算的。

Skeleton公司已經開發出了由其所謂的彎曲石墨烯組成的金屬板，用於一系列新的超級電容器。普通的石墨烯是一層單層的碳原子排列成六邊形網格，它具有高導電性。而Skeleton的彎曲石墨烯則由褶皺的片狀物組成。該公司希望，表面積的增加將使其新產品的能量密度達到10-15wh/kg，不過，這離超級電容器20-30wh/kg的理論最大值還差得遠。

然而，這只是Skeleton計劃的開始。該公司的工程師現在正與德國卡爾斯魯厄理工學院合作，在其所謂的「超級電池」中使用彎曲的石墨烯。雖然這本質上仍然是一個超級電容器，以靜電場的形式存儲大部分電荷，但Skeleton的創新主管塞巴斯蒂安·帕爾曼（Sebastian Pohlmann）表示，電解液也將提供一些化學能量存儲。該公司未透露其使用的電解液和涉及的化學成分。帕爾曼博士只說了「它與傳統的鋰離子化學成分大不一樣」。

但他聲稱，總體效果將是15秒內充滿電，並能提供60wh/kg的能量密度。Skeleton的目標是在2023年開始商業化生產這種產品。

超級電容器的工作原理

其他公司也在研究如何在超級電容器中增加化學儲能。例如，奧地利格拉茨理工大學的研究人員已經開發出一款，在電容器的電觸頭上塗上多孔碳。其中一個電觸頭的工作原理就像電容板，另一個電觸頭則像電池電極。

與Skeleton不同，格拉茨小組使用的是碘化鈉水溶液（即鈉離子和碘離子的溶液）作為電解液。在電極上，碘化物變成碘元素，在放電過程中，碘元素在多孔碳的孔隙中結晶。當設備充電時，這個過程又會反過來。板上的孔隙也同樣起到容納鈉離子的作用。

根據其發明者最近在《自然》子刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表的一篇論文，格拉茨電池的性能超過了鋰離子電池。例如，它能夠充放電一百多萬次，該團隊成員卡馬爾·阿巴斯（Qamar Abbas）說。同等容量的鋰離子電池可能只能承受幾千個循環。

那麼，Skeleton和格拉茨小組都是採用改良的超級電容器架構，並添加一些特定的電化學。相比之下，雖然Nawa的產品確實也採用了改良的超級電容器板作為電極，但它使用了久經考驗且值得信賴的鋰離子成分來進行化學反應過程。

與Skeleton一樣，Nawa已經在生產超級電容器。金屬板是用該公司稱為VACNT（Vertically Aligned Carbon Nanotubes垂直排列的碳納米管）的工藝製造的。這將這些管子排列成一個微型的類似於刷子上的刷毛的陣列，極其微型化。一平方釐米大約有1000億根，全部保持直立，這大大增加了可容納電荷的表面積。

為了使VACNT板也能作為類似電池的電極使用，Nawa的工程師將納米管變薄，以便為電池反應所使用的化學塗層騰出空間，同時也為鋰離子進出管子之間的空間騰出空間。該公司認為，這種自由移動將使該裝置的功率密度提高10倍。

掃描電鏡圖像顯示的VACNT陣列

首先，該發明的陰極（電池中的正極）的納米管將被塗上鎳、錳和鈷，這種搭配已經廣泛用於製造這種陰極。傳統的陽極（負極）也是以碳為基礎的，因此以納米管的形式使用該元素並不是一個很大的創新。不過，其他商業化程度較低的電池化學製品也應該可以使用VACNT電極。這些包括鋰硫和鋰矽，它們都有可能提高能量密度。

「矽的前景本來是很大的，但它在吸收離子時會膨脹，產生了使電池破裂的風險。VACNT電極中厚厚的納米管就像一個籠子一樣運作，以保持對矽的控制。」2013年參與創建Nawa的物理學家帕斯卡·布朗熱（Pascal Boulanger）說，新的電極材料也可以與固體電解質一起使用，以製造固態電池。這些電池功能強大，堅固耐用，但商業化進程困難重重。

布朗熱博士說，在與一些不知名的電池公司進行的測試中，VACNT電極在一種電池中實現了500wh/kg的能量密度，在另一種電池中實現了以體積計算高達1400wh/L的能量密度。這大約是傳統的鋰離子電池在重量和體積方面分別能達到的兩倍。「我們已經非常輕鬆地做到了這一點。」他補充道，「所以我們相信還有更大的改進空間。」

Nawa透露與之合作的一家公司是Saft，這是一家由法國石油巨頭Total下屬的大型電池製造商，該公司熱衷於從化石燃料中實現多樣化。在Saft的客戶中，有幾支F1賽車隊，他們的賽車也在使用電力。Saft還與歐洲大型汽車製造商PSA集團合作，生產電動汽車的電池。

當然，新設備的成功與否將取決於其製造成本。Nawa已經在建設一條大規模生產線，為其最新的超級電容器製造VACNT板。Nawa公司執行長葛衛凱（Ulrik Grape）表示，所使用的工藝是在一卷鋁箔的兩面部署納米管，可以很輕鬆地轉移到現有的電池生產線上，甚至可以降低電池製造成本。他預計首批「超級電容器-電池混合動力」電池將於2023年投入生產。

這種混合儲能是否能與傳統的鋰離子電池競爭還有待觀察。鋰離子電池具有現成的優勢，電池製造商已經投資數十億美元建造巨大的「超級工廠」，以大量生產鋰離子電池。然而，儘管電動汽車被炒得沸沸揚揚，但許多客戶對鋰離子電池的疑慮卻揮之不去，續航焦慮、充電速度、成本等因素綜合在一起。將超級電容器的特性與電池的耐力結合起來，至少可以克服前兩個問題，從而真正開啟一個無憂無慮的電動汽車時代。