當(dāng)超級電容器遇上石墨烯 會擦出什么火花？

　　超級電容器是高效實(shí)用的儲能元件，而石墨稀作為電極材料，其各方面性能都較傳統(tǒng)的活性炭要優(yōu)越。人們熟知干電池、鋰離子電池，卻可能對電容器不甚了解。其實(shí)這些儲能器件都是由正負(fù)極(陰陽極)、隔膜、集流體、電解液與外殼等幾大部分構(gòu)成 ，更換其中的電極材料，電池則變成電容器。

　　電容器與超級電容器

　　由于具有不同的正負(fù)極材料，導(dǎo)致鋰離子電池與電容器的性能差異極大。例如，基于正極材料為磷酸鐵鋰的鋰離子電池，其能量密度比目前市面上最好的超級電容器的能量密度高出20多倍。而超級電容器的功率密度可以是鋰離子電池的30~100倍。如果以跑步選手做比喻，超級電容器是爆發(fā)能力超強(qiáng)的百米運(yùn)動員，鋰離子電池則是耐力出眾的馬拉松選手。

　　電容器與超級電容器的區(qū)別，主要有以下幾個方面：

　　首先，電容器種類不同導(dǎo)致的儲電量不同。最小的電容器僅能儲存幾微伏電量，專用于電子控制器，例如老式收音機(jī)里就有許多電容器，用來調(diào)節(jié)電路功能。而一個560毫升飲料瓶體積大小的超級電容器，則可以儲存3000~6000法電量。

　　其次，超級電容器能瞬間提供較大電流。重型機(jī)械啟動的初始電流是正常運(yùn)行時的3~6倍，而一般的供電系統(tǒng)沒有這么大的設(shè)置裕度。使用超級電容器可極大簡化啟動系統(tǒng)的配置，節(jié)省成本。因此，超級電容器構(gòu)成模塊，可用于啟動風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的槳葉;輔助吊車與大型卡車、輕軌車等的啟動。

　　此外，超級電容器還能夠可逆充放電50萬至100萬次，而最先進(jìn)的鋰離子電池也很難超過1萬次(大多在3000次)，更不要說普通家用轎車上的電瓶(鉛酸電池)僅能可逆充電300余次。所以，超級電容器常被用于充當(dāng)飛機(jī)艙門的備用電源，一旦飛機(jī)遇到事故斷電時，長期不用、但隨時待命的超級電容器便能發(fā)揮關(guān)鍵作用。也正是由于這種超長的使用壽命，出現(xiàn)了以下兩種有意思的情形。

　　(1)盡管目前以每瓦時的儲電成本來看，超級電容器遠(yuǎn)不及鋰離子電池，但是在兩者的全生命周期里，超級電容器能夠儲存的電量卻遠(yuǎn)大于鋰離子電池。

　　(2)由于超級電容器可循環(huán)工作50萬~100萬次，而配備了超級電容器的機(jī)動車本身都沒有其壽命長(機(jī)動車一般15年左右報廢)。所以機(jī)動車報廢時，可以把性能良好的超級電容器拆下，在別處實(shí)現(xiàn)可循環(huán)利用。超級電容器這種超長壽命的特點(diǎn)或許也解釋了為什么目前其市場開拓遠(yuǎn)不如鋰離子電池。

　　中國發(fā)展超級電容器的機(jī)遇

　　電容器的結(jié)構(gòu)示意圖及電極材料種類

　　長期以來，由于其能量密度低，超級電容器在歐美市場上是能源儲存的配角。同時，由于歐美城市規(guī)模小，人口密度較低，市場飽和，全世界的目光也越來越寄希望于中國的巨大市場。

　　首先，在能量回收系統(tǒng)中的應(yīng)用，如車輛剎車、起重機(jī)減速等，傳統(tǒng)都是機(jī)械能通過摩擦作用完全耗散為熱能而浪費(fèi)掉。而超級電容器通過機(jī)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠?qū)C(jī)械能變?yōu)殡娔軆Υ?，并釋放于事先?gòu)造好的備用電路中，從而起到節(jié)能作用。這個市場非常巨大，也是我國提高能源利用效率的重要實(shí)現(xiàn)途徑之一。

　　目前我國已經(jīng)成為國際高速公路里程最長的國家，眾多穿梭于公路上的大巴車，將是利用超級電容器回收能源的理想工具;同時，我國房地產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，高層辦公與住宅中電梯運(yùn)行頻繁，如果使用能夠迅速響應(yīng)的電容器，則既容易啟動，又可回收能源。

　　超級電容器雖然充電量小，但充電速度很快，一般可在半分鐘至一分鐘的時間內(nèi)充滿。試想任何一個公交站點(diǎn)，在乘客上下車的時間內(nèi)，車輛就可充滿電并運(yùn)行至下一站，可以充分實(shí)現(xiàn)運(yùn)行能量低，且環(huán)保綠色無污染，對于我國已經(jīng)定型的大城市公交系統(tǒng)來說，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

　　而對于城區(qū)面積不太大，交通相對不擁擠的中小型城市來說，使用充電快，但充電量不高的超級電容器，也不會使其電量在擁擠等待的過程中被耗光，同樣是有利的選擇。相比較而言，充電時間需要幾個小時的以鋰離子電池為動力的電動汽車，占用了大量的停車場與道路資源，在大城市中的發(fā)展受到制約。

　　同時，超級電容器具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，還可以被用于路燈等市政照明系統(tǒng)中，使這些照明系統(tǒng)免于修理與維護(hù)，在全生命周期里這將是一種有效降低儲電成本與基建成本的選擇。

　　車用系統(tǒng)一直是鋰離子電池與超級電容器的戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域。目前歐美的觀點(diǎn)是二者搭配使用。即電動汽車在啟動、爬坡與剎車時，使用超級電容器，而在穩(wěn)速續(xù)航時，則使用鋰離子電池。這種能源利用路線雖然合理，但也局限了超級電容器的功能，即超級電容器處在從屬地位，無法作為主動力電源使用。而在我國，通過大量的實(shí)踐，已經(jīng)產(chǎn)生了純超級電容器驅(qū)動的城市輕軌示范線及城市公交大巴示范線，有效滿足了大量旅客的即時性或瞬態(tài)快速輸運(yùn)，代表了一種發(fā)展趨勢。

　　此外，我國大城市的道路密度不足，車量多，絕對車速慢，在怠速下的尾氣排放占小汽車排放的大頭。由于目前小汽車用的電瓶(鉛酸電池)可靠充放電次數(shù)太少，如果使用能50萬至100萬次可逆充放電的超級電容器，就可在怠速時，將內(nèi)燃機(jī)滅火，需要時，再迅速啟動，有效降低尾氣排放，實(shí)現(xiàn)綠色交通。

　　石墨烯助力超級電容器發(fā)展

　　不同儲能器件的大致性能范圍圖

　　小型汽車具有巨大的市場。由于車用系統(tǒng)的空間有限且增加重量會增加能源消耗，決定了超級電容必須具有能量密度高、體積小的特點(diǎn)，因此提高其能量密度成為應(yīng)用突破的關(guān)鍵。這就要求對目前商用產(chǎn)品進(jìn)行升級換代。以目前市售的雙電層電容器為例，大多數(shù)操作電壓在2.7伏，使用活性炭為電極材料以及使用有機(jī)電解液，活性炭電極材料的電容小于200法/克，電容器件的能量密度小于6~7瓦·時/千克(或瓦·時/升) 。

　　理論上，能量密度與電極材料的電容值成正比，與操作電壓的平方成正比，這就決定了提高工作電壓，是實(shí)現(xiàn)高能量密度的關(guān)鍵。事實(shí)上，手機(jī)電池與鋰離子動力電池也都在努力提高工作電壓。

　　而提高工作電壓，除了需要更換化學(xué)穩(wěn)定性更高的電解液，還需使用純度更高的碳電極材料。一般而言，活性炭是由椰殼、杏殼、石油焦等炭化而得，可能含有金屬雜質(zhì)以及在活化處理過程被引入的氧、氮、磷等雜質(zhì)雜質(zhì)在水性電解液(1伏)下能夠起氧化還原反應(yīng)，貢獻(xiàn)法拉弟贗電容。但在高電壓下，這些雜質(zhì)會導(dǎo)致電解液持續(xù)分解，使器件脹氣導(dǎo)致內(nèi)阻變大甚至破壞器件，必須清除。

　　同時，活性炭是“內(nèi)凹”結(jié)構(gòu)的微孔碳，，孔徑大都小于0.7納米。對于有機(jī)液體及離子液體等電解液來說，離子在活性炭內(nèi)部的傳輸就像是在繞迷宮，會導(dǎo)致擴(kuò)散阻力變大以及表面利用率變低。

　　而石墨烯是一種SP2雜化的碳，化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于以SP3雜化的活性炭。同時，石墨烯的表面全為“外凸”表面，十分有利于電解液的離子接近與吸附或脫附，實(shí)現(xiàn)快速的充放電過程 。特別需要指出，石墨烯可用高純度的烴類以化學(xué)氣相沉積方法，在高溫下裂解制備，在原理上既能保證大的比表面積，又能保證無金屬摻入的高純度，從而具備了眾多的優(yōu)異性能。

　　在電化學(xué)儲能被納入國家《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，超級電容器迫切需要提升品質(zhì)的當(dāng)下，石墨烯材料已經(jīng)歷了十余年的發(fā)展與認(rèn)識，終于有了一個恰逢其時的好時機(jī)。