當超級電容器遇上石墨烯 會(huì )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極(陰陽(yáng)極)、隔膜、集流體、電解液與外殼等幾大部分構成 ，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極材料，導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)能力超強的百米運動(dòng)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別，主要有以下幾個(gè)方面：

　　首先，電容器種類(lèi)不同導致的儲電量不同。最小的電容器僅能儲存幾微伏電量，專(zhuān)用于電子控制器，例如老式收音機里就有許多電容器，用來(lái)調節電路功能。而一個(gè)560毫升飲料瓶體積大小的超級電容器，則可以?xún)Υ?000~6000法電量。

　　其次，超級電容器能瞬間提供較大電流。重型機械啟動(dòng)的初始電流是正常運行時(shí)的3~6倍，而一般的供電系統沒(méi)有這么大的設置裕度。使用超級電容器可極大簡(jiǎn)化啟動(dòng)系統的配置，節省成本。因此，超級電容器構成模塊，可用于啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機中的槳葉;輔助吊車(chē)與大型卡車(chē)、輕軌車(chē)等的啟動(dòng)。

　　此外，超級電容器還能夠可逆充放電50萬(wàn)至100萬(wàn)次，而最先進(jìn)的鋰離子電池也很難超過(guò)1萬(wàn)次(大多在3000次)，更不要說(shuō)普通家用轎車(chē)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飛機艙門(mén)的備用電源，一旦飛機遇到事故斷電時(shí)，長(cháng)期不用、但隨時(shí)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(cháng)的使用壽命，出現了以下兩種有意思的情形。

　　(1)盡管目前以每瓦時(shí)的儲電成本來(lái)看，超級電容器遠不及鋰離子電池，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大于鋰離子電池。

　　(2)由于超級電容器可循環(huán)工作50萬(wàn)~100萬(wàn)次，而配備了超級電容器的機動(dòng)車(chē)本身都沒(méi)有其壽命長(cháng)(機動(dòng)車(chē)一般15年左右報廢)。所以機動(dòng)車(chē)報廢時(shí)，可以把性能良好的超級電容器拆下，在別處實(shí)現可循環(huán)利用。超級電容器這種超長(cháng)壽命的特點(diǎn)或許也解釋了為什么目前其市場(chǎng)開(kāi)拓遠不如鋰離子電池。

　　中國發(fā)展超級電容器的機遇

　　電容器的結構示意圖及電極材料種類(lèi)

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

　　首先，在能量回收系統中的應用，如車(chē)輛剎車(chē)、起重機減速等，傳統都是機械能通過(guò)摩擦作用完全耗散為熱能而浪費掉。而超級電容器通過(guò)機電轉換系統，能夠將機械能變?yōu)殡娔軆Υ?，并釋放于事先構造好的備用電路中，從而起到節能作用。這個(gè)市場(chǎng)非常巨大，也是我國提高能源利用效率的重要實(shí)現途徑之一。

　　目前我國已經(jīng)成為國際高速公路里程最長(cháng)的國家，眾多穿梭于公路上的大巴車(chē)，將是利用超級電容器回收能源的理想工具;同時(shí)，我國房地產(chǎn)業(yè)發(fā)達，高層辦公與住宅中電梯運行頻繁，如果使用能夠迅速響應的電容器，則既容易啟動(dòng)，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(shí)間內充滿(mǎn)。試想任何一個(gè)公交站點(diǎn)，在乘客上下車(chē)的時(shí)間內，車(chē)輛就可充滿(mǎn)電并運行至下一站，可以充分實(shí)現運行能量低，且環(huán)保綠色無(wú)污染，對于我國已經(jīng)定型的大城市公交系統來(lái)說(shuō)，具有非?，F實(shí)的意義。

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

　　同時(shí)，超級電容器具有優(yōu)異的穩定性，還可以被用于路燈等市政照明系統中，使這些照明系統免于修理與維護，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(chē)用系統一直是鋰離子電池與超級電容器的戰略應用領(lǐng)域。目前歐美的觀(guān)點(diǎn)是二者搭配使用。即電動(dòng)汽車(chē)在啟動(dòng)、爬坡與剎車(chē)時(shí)，使用超級電容器，而在穩速續航時(shí)，則使用鋰離子電池。這種能源利用路線(xiàn)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(wú)法作為主動(dòng)力電源使用。而在我國，通過(guò)大量的實(shí)踐，已經(jīng)產(chǎn)生了純超級電容器驅動(dòng)的城市輕軌示范線(xiàn)及城市公交大巴示范線(xiàn)，有效滿(mǎn)足了大量旅客的即時(shí)性或瞬態(tài)快速輸運，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(chē)量多，絕對車(chē)速慢，在怠速下的尾氣排放占小汽車(chē)排放的大頭。由于目前小汽車(chē)用的電瓶(鉛酸電池)可靠充放電次數太少，如果使用能50萬(wàn)至100萬(wàn)次可逆充放電的超級電容器，就可在怠速時(shí)，將內燃機滅火，需要時(shí)，再迅速啟動(dòng)，有效降低尾氣排放，實(shí)現綠色交通。

　　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(chē)具有巨大的市場(chǎng)。由于車(chē)用系統的空間有限且增加重量會(huì )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，大多數操作電壓在2.7伏，使用活性炭為電極材料以及使用有機電解液，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(shí)/千克(或瓦·時(shí)/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)現高能量密度的關(guān)鍵。事實(shí)上，手機電池與鋰離子動(dòng)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(guò)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，貢獻法拉弟贗電容。但在高電壓下，這些雜質(zhì)會(huì )導致電解液持續分解，使器件脹氣導致內阻變大甚至破壞器件，必須清除。

　　同時(shí)，活性炭是“內凹”結構的微孔碳，，孔徑大都小于0.7納米。對于有機液體及離子液體等電解液來(lái)說(shuō)，離子在活性炭?jì)炔康膫鬏斁拖袷窃诶@迷宮，會(huì )導致擴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)穩定性遠高于以SP3雜化的活性炭。同時(shí)，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)現快速的充放電過(guò)程 。特別需要指出，石墨烯可用高純度的烴類(lèi)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(wú)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”規劃》，超級電容器迫切需要提升品質(zhì)的當下，石墨烯材料已經(jīng)歷了十余年的發(fā)展與認識，終于有了一個(gè)恰逢其時(shí)的好時(shí)機。