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电动汽车超级电容的发展势不可挡 |
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| http://cn.newmaker.com
2/24/2014 2:12:00 PM
佳工机电网
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当谈到电动汽车设计时，超级电容永远都要排在传统电池的后面。传统电池不仅可以产生能量，还可以储存能量，供较长时间使用，这也决定了电动汽车的行驶里程。
超级电容与传统电池相比，可以相对较短的时间内将能量释放出来，因此更适用于快速的能量提升应用。
高科技商业调研及咨询公司Lux Research分析员Cosmin Laslau指出，超级电容可以快速充电，也可以快速地释放电能，因此可用于制动再生和启停系统中。一些欧洲和日本微混汽车采用了超级电容，因此在原本发动机处于怠速的情况下可以将其关闭，或通过超级电容捕捉制动能量，将其储存起来。
据Laslau称，超级电容目前的市场规模为3.66亿美元/年，其中包括风机涡轮叶片控制及特殊消费者电子领域，但是将保持年均18%的增长率。Lux Research预计到2018年全球重卡行业超级电容的市场规模将达到3.23亿美元/年，而乘用车行业市场规模可达1.52亿美元/年。整个超级电容市场规模预计将达8.36亿美元/年，重卡行业将成为最大的应用领域。
Lux Research公司不久前发布了关于交通运输和电子领域超级电容器增长创新的行业报告，并公布了这些预测数字。
最快的储能设备
与通过相对缓慢的化学反应产生电流的电池不同，超级电容通过在电极和电解质之间的界面上的正负电荷的分离储存电能，这就意味着超级电容可以快速地产生电流。
每个超级电容一般都包含一对涂上活性炭的金属板。活性炭为多孔结构，因此表面积更大，无论采用物理或化学方式都可以牢牢“锁住”电荷。
电极浸渍在有机电解液中，有助于加速电荷的移动。当电容充满电时，每个碳电极都有两层电荷载体涂覆表面，这也是为什么超级电容有时候被称为双电层电容的原因。电容看上去貌似红牛饮料瓶或软包装饮料盒。
汽车领域的应用
率先将超级电容应用到汽车行业中的是日本本田公司。由其自主开发的超级电容用于2002款本田FCX燃料电池试验车上，为车辆通行和爬坡提供额外的动力。
几年前，标致雪铁龙公司首次将价值40美元的超级电容电池（由Maxwell技术公司提供）安装在部分雪铁龙及标致微混车辆上，用于e-HDI系统中，开启了超级电容在量产车中应用的大门。同样，马自达微混车辆上的i-ELOOP系统也采用了十枚由日本贵弥功株式会社（Nippon Chemi-con）提供的超级电容电池（约130美元），在车辆具备启停功能的同时还可以进行制动能量回收。
超级电容支持者认为这种电池长期使用成本更低，因为相比传统电池，超级电容的使用寿命更长，可靠性更高。不过Laslau指出，传统电池在微混能量储存市场中仍占据支配地位，因为超级电容及其附带的电子设备（直流-交流转换器和发电机等）会使车辆的售价提升几百美元，更不用说其还占据了原本有限的空间并增加了车身的重量。
不过，汽车制造商考虑在中混汽车上采用功率更高的超级电容，或者用于提升车辆的峰值功率。“有几家OEM工程师对进一步推进超级电容在汽车上的应用表示了浓厚的兴趣，称将在中混汽车上采用30-50个超级电容电池来驱动车辆。这可以使车辆的燃油效率提升5-7%。”
柴油混合动力大巴
到目前为止超级电容最大的应用案例是在中国1万辆混合动力柴油大巴上的使用。每辆大巴安装了价值15000美金的电池包，约包含300个超级电容。这主要得益于中国政府对绿色能源的支持政策，否则每辆大巴的成本将在其7万美元的基础上翻番。
在刹车时，制动能量会被回收起来对超级电容充电，然后释放电能驱动大巴行驶。这样，超级电容可以完全替代传统电池，而全电动大巴也可以减少传统电池的使用。据分析师称，这种大巴混合动力系统使车辆的燃油效率提升了25-30%。
下一代超级电容
全球超级电容制造商包括Maxwell技术公司、日本贵弥功株式会社、LS Mtron（株）、Ioxus、Elton、Nesscap、Vina Tech及Cap-XX公司。
目前的超级电容电极的比容量为100 F/g，成本为28美元/kg，但是材料供应商也在开发性能更高的材料。比如，GS加德士（GS Galtex）和新日本石油公司（Nippon Oil）成立的合资公司Power Carbon Technology采用焦炭作为原料开发了一种高级化学活性碳，可提供135F/g比容量，成本为110美元/kg。
Laslau表示，纳米结构碳也已经进入试生产阶段。比如NanoCarbons公司利用人造丝纤维（135F/g）生产出了一种化学活性材料；还有一家公司EnerG2利用溶胶工艺生产出高纯度稳定的碳材料，而且孔隙度可调，该材料比容量可达150F/g，成本仅为60美元/g。
还有一种可用于电极的超级材料是石墨烯——仅有一个碳原子结构的材料。但是Laslau对此持有谨慎的态度：“虽然石墨烯可以提供更高的比容量，但是目前还处于早期研发阶段，还有一些问题没有解决，比如如何避免因振动出现的聚合。此外，这种材料的成本可谓天价，而且供应有限。”有两家公司正在研发石墨烯材料，分别为XG Sciences和Angstron Materials公司。
目前超级电容的电解液一般都是碳酸丙烯（乙烯）或乙腈。虽然乙腈性能更高，但是因为存在着火的危险因此被日本政府禁止使用。Laslau表示：“离子液也是一种潜在的解决方案，而且势头不减，但是目前来看依然问题很多。”
Laslau认为，也许最好的解决方案是将整个系统的电压从2.7V提升至3.5V。电压越高，能量密度越高，因此所需电池单元就越少。但是这也会导致电解液的失效，而且需要高纯度的碳，这样成本就提高了。不过电压的提升可以使电池单元的价格能量比提升40%。eSionic和Silatronix这两家公司正将该领域作为研发重点。
Laslau最后还强调，超级电容的普及还需要平衡好整个系统的成本，包括电力电子，因为整体成本不仅仅来自于电池单元本身。
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