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奇妙电池技术来了:电动汽车充电只需几分钟

收藏 评论 时间:2018-03-07 16:25 作者:文心 来源:腾讯数码

据BBC网站报道,想象一下,把电动汽车充电时间由数小时缩短至数分钟,或者在数秒钟内即可给智能手机充满电,是不是很奇妙?

这是研究人员描述的诱人前景。研究人员认为他们已经发现了一种新材料,能提升碳基超级电容器的性能。超级电容器是一种能量存储装置,不但充电速度非常快,放电速度同样也非常快。

Superdielectrics公司研究主管唐纳德·海格特(Donald Highgate)博士表示,他最初为软性隐形眼镜开发的一种材料,在保持静电场方面也非常出色。

简而言之,超级电容器不像传统电池那样通过化学反应产生电能,它们形成静电场。

海格特正在与布里斯托尔大学和萨里大学合作,开发采用这种新型聚合物的超级电容器,并希望它们最终能够媲美甚至超越锂离子电池——前提是他们能够在量产中复制原型产品性能。

到目前为止,超级电容器擅长的是快速提供电能——例如启动汽车发动机,或者在加速时给火车提供动力。它们也非常适合汽车在制动时收集能量,这使它们成为电动汽车的重要组成部分。

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在平衡供需时,全国性电网使用超级电容器快速提供电能。

韩国首都首尔希望在2020年前有3500辆由超级电容器供电的公共汽车投入使用,这种公共汽车也将在中国上海投入使用。自2010年以来,欧洲汽车制造商标致雪铁龙一直在汽车中使用超级电容器。超级电容器制造商Maxwell科技公司称,目前已有超过100万辆汽车使用其产品。

BBC表示,但迄今为止,超级电容器在存储大量电能,或者长期存储电能方面的表现并不特别好。

这就是所谓的能量密度(即每公斤电池能够存储的能量)低,这使得超级电容器与锂离子电池相比处于明显劣势。

英国国家物理实验室研究员加雷思·海因兹(Gareth Hinds)表示,“超级电容器相对于传统电池的两大优势,是快得多的充电和放电速度,以及更长的使用寿命。缺点是它们往往成本相对较高,而且只能存储够使用数秒钟,或者最多数分钟的电能。”

例如,当利用超级电容器为工厂装配线上的工具供电时,这不是问题。一旦放回到充电座中,它可以在数秒钟内完成充电。

但是,如果用于电动汽车或公共汽车,可能每行驶数英里就需要充电。

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超级电容器制造商Skeleton在爱沙尼亚、德国和芬兰都开展业务,该公司首席执行官、联合创始人大卫·马蒂伯克(Taavi Madiberk)表示,该公司的超级电容器产品包含有石墨烯层(排列成六边形晶格的单层碳原子)和其他碳基材料。

马蒂伯克说,这些石墨烯层有着巨大的表面积,1克石墨烯表面积可以达到2000平方米。这使得超级电容器可以存储多得多的电能。

Skeleton的产品已经应用在混合动力汽车中,特别是公共汽车和货车。马蒂伯克说,在一次试验中,他们在一辆为超市送货的柴电动力厢式货车上安装了超级电容器,“油耗降低了32%”。

但他承认,从短期来看,将超级电容与锂离子电池相结合,可能是同时享受这两种技术优势的最佳方式,特别是在电动汽车中。

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另一家位于法国南部的超级电容器制造商NaWa首席执行官乌里克·格拉普(Ulrik Grape)对此表示赞同,并表示,“虽然不能储存大量电能,但超级电容器响应时间很快。因此超级电容器可以用于加速和制动时的能量回收——对电池使用寿命影响较大——可能使电池的预期寿命翻一番,甚至达到原来的三倍。”

格拉普解释说,NaWa的技术利用了“垂直排列的碳和石墨烯纳米管,纳米管表面能存储电能”。

这些涂有另外一种碳基材料的纳米管非常细,每平方厘米能容纳100亿根。

由于碳是一种轻质材料,将超级电容器整合在锂离子电池中还会降低整体重量,这有助于改善电动汽车的续航性能。

目前由威廉斯先进工程公司制造的E级方程式赛车电池,重300公斤。NaWa认为,该公司的技术可以将电池重量减少三分之一至200公斤,而不会影响续航里程。

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格拉普表示,“我们认为,快速充电和放电能力,将是未来电池最重要的特性之一。虽然我们的产品不能像锂离子电池那样存储那么多电量,但它可以使用更多周期——充电和放电——高达100万次。碳是一种很厉害的材料。”

相比之下,依靠化学反应来产生电能的普通电池,一旦这些化学物质失去效力——在约3000至5000次充电和放电周期后——电池就报废了。

制造商称,超级电容器的另一个优点是,它们不需要稀有材料,例如钴。

BBC称,当然,超级电容器绝不意味着传统电池“寿终正寝”。锂离子电池技术每年仍以约5-10%的速度在提高。

新型储能形式对于可再生能源成功取代化石燃料至关重要。当太阳落山或没有风时,我们需要非常快速地利用存储的电能弥补供需之间的差额。

除了抽水蓄能、飞轮、压缩气体和大型电池阵列等传统储能方式外,高效超级电容器最终可能成为完全可持续能源电网的重要组成部分。

但目前超级电容器还处于发展的早期阶段。

海因兹总结说:“基于聚合物的超级电容器正在成为一种有前途的技术,但是要实现所需的能量存储容量,而且不会影响功率、使用寿命和成本,还有很多工作要做。”

作者:文心
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