觀點(diǎn)丨石墨烯電池與超級(jí)電容器：來(lái)自未來(lái)的泡沫？
閱讀次數(shù)：329 更新時(shí)間：2015-12-28
一、石墨烯電池：
奇跡還是虛幻？
大凡稍微關(guān)注新科技的人都會(huì)知道“石墨烯”是何物，也會(huì)知道這種材料被賦予了多高的期望。
而自打索尼公司1991年發(fā)明鋰離子電池至今，鋰電池技術(shù)幾乎就像一條平直的線，波瀾有之，幅度不足。這個(gè)瓶頸梗在這里已近15年，視摩爾定律如無(wú)物，無(wú)半分松動(dòng)的意思。
然后在2004年的一天，石墨烯誕生，并助兩位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)。在接下來(lái)的日子里，各種炒作鋪天蓋地，其中最吸引人的莫過于“石墨烯電池”的概念。
石墨烯電池是指在利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開發(fā)出的一種新型的電池。那這種電池到底是帶來(lái)新時(shí)代的奇跡，還是曇花一現(xiàn)的虛幻呢？
“萬(wàn)能材料”要破解續(xù)航焦慮
石墨烯被稱為“萬(wàn)能材料”，在各大科技領(lǐng)域都具有不可小覷的潛力。那在日益“煩躁”的電池界，石墨烯電池是怎么埋下希望種子的呢？首先我們來(lái)了解一下石墨烯電池的魔力。石墨烯電池的能量密度高達(dá)600Wh/kg，這是前陣子鬧得紛紛揚(yáng)揚(yáng)的比亞迪磷酸鐵錳鋰電池（未證實(shí)）能量密度的4倍。換句話說(shuō)，一輛電動(dòng)汽車如果想達(dá)到設(shè)定的動(dòng)力蓄電池組總能量，配備石墨烯電池的重量只需普通動(dòng)力電池的八分之一即可（石墨烯電池本身的重量?jī)H為傳統(tǒng)電池的一半），這樣可以減少車身的重量，抑或是增加電池重量，藉此達(dá)到擺脫“續(xù)航焦慮”的目的。
除了能量密度這個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)，石墨烯電池還有其它“殺手锏”。它的使用壽命是普通鋰電池的兩倍，制造成本則比之降低了77%。
而真正讓這種魔性電池成為國(guó)際焦點(diǎn)的則是特斯拉汽車公司。去年年末，特斯拉發(fā)布了兩年前停產(chǎn)的第一代車型Roadster的升級(jí)版，其續(xù)航里程高達(dá)644公里，原版Roadster的續(xù)航里程僅為393公里），消息一出，滿座皆驚。
巨大進(jìn)步背后必有重大改變。特斯拉升級(jí)版Roadster的超長(zhǎng)續(xù)航引起了人們強(qiáng)烈的好奇，人們紛紛猜測(cè)是不是采用了高能量密度的石墨烯電池？但特斯拉官方對(duì)外之宣稱升級(jí)版Roadster采用了改進(jìn)的鋰電池，關(guān)于“石墨烯電池”的話題三緘其口。
“充電5分鐘跑1000公里”只是假新聞？
另一個(gè)讓石墨烯電池備受關(guān)注的是西班牙Graphenano公司。該公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出世界首例石墨烯聚合材料電池，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)外宣稱使用石墨烯電池作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間連8分鐘都不用！
這
個(gè)消息當(dāng)時(shí)震驚了全球的電動(dòng)汽車行業(yè)，如此彪悍的性能，難道世界要翻開新的篇章了嗎？冷靜下來(lái)想想，充電不到8分鐘即可充滿，那需要多強(qiáng)的電流呢？我們以
日產(chǎn)聆風(fēng)做例子來(lái)計(jì)算一下，1度電大約能跑5公里，換算成1000公里則需耗電20kWh，以8分鐘充滿計(jì)算，即每小時(shí)需充電150kWh，這相當(dāng)于電池
在高壓情況（500V）下需要300A的電流。能夠承受300A電流的電線，想想都覺得瘆的慌。
西方媒體曾報(bào)道稱，這款“超級(jí)電池”將于2015年第一季度生產(chǎn)上市使用，但如今第二季度已結(jié)束，我們?nèi)晕纯吹酱恕吧裎铩钡某霈F(xiàn)。結(jié)合國(guó)內(nèi)專家普遍的觀點(diǎn)：西班牙的“超級(jí)電池”只是一條假新聞。而目前推出的石墨烯電池說(shuō)來(lái)有點(diǎn)心酸，石墨烯在鋰電池的應(yīng)用只有百分之零點(diǎn)幾的添加劑，沒有一家企業(yè)能真正有產(chǎn)品推出來(lái)。
超級(jí)電容器比超級(jí)電池靠譜多了？
什么是超級(jí)電容呢？超級(jí)電容是一種儲(chǔ)能用的電化學(xué)元件，與傳統(tǒng)電容器有異，與電池更是相去甚遠(yuǎn)。它又叫雙電層電容器，具有許多優(yōu)點(diǎn)：功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、充放電線路簡(jiǎn)單、安全可靠等。
下面我們來(lái)仔細(xì)看看它和鋰電池之間的差別：
（1）功率密度高，相當(dāng)于鋰電池的2~30倍；
（2）充放電時(shí)間短，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；
（3）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電可循環(huán)使用次數(shù)超過50萬(wàn)次，這是普通鋰電池的500倍，即如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，仍可連續(xù)使用68年。（4）工作溫度范圍寬，超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；
（5）充放電線路簡(jiǎn)單，無(wú)需充電電池那樣的充電電路；
（6）安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，不會(huì)出現(xiàn)爆炸和著火等問題。
這樣的優(yōu)點(diǎn)比之石墨烯超級(jí)電池也是不遑多讓，且目前已有超級(jí)電容公交車亮過相，自是比后者又多了一層現(xiàn)實(shí)的質(zhì)感。在新能源汽車界，人們對(duì)超級(jí)電容器抱以極大的期待。
缺點(diǎn)無(wú)法忽視 但現(xiàn)實(shí)讓人振奮
說(shuō)了這么多，全是超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)。但好比一個(gè)硬幣有兩面，超級(jí)電容器也有著無(wú)法忽視的缺點(diǎn)。
超級(jí)電容器的安裝位置有講究，不合理的話很容易引起電解質(zhì)泄露等問題，破壞電容器的結(jié)構(gòu)性能；雖說(shuō)超級(jí)電容器的充放電電路簡(jiǎn)單，但僅限于直流電路的使用，其內(nèi)阻比較大，不適合交流電路的運(yùn)行要求；然后由于超級(jí)電容器是新一代高科技產(chǎn)品，價(jià)格相對(duì)較高，充電一次只夠電動(dòng)汽車行駛幾公里，每千瓦時(shí)的蓄能產(chǎn)品價(jià)格卻是電池的近10倍，實(shí)際運(yùn)行的成本投入會(huì)很大。這幾個(gè)問題是超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車應(yīng)用上難以大量推廣、單獨(dú)使用的瓶頸。你能想象出一輛公交車跑一個(gè)站然后就要充電一次的情形嗎？這種情況下，我們需要在公交車沿線設(shè)立許多充電裝置（幸好超級(jí)電容充電快，乘客上下車時(shí)間就可以把電充好）。
二、
不如期待“超級(jí)電容器”？
超級(jí)電容器比超級(jí)電池靠譜多了？
什么是超級(jí)電容呢？超級(jí)電容是一種儲(chǔ)能用的電化學(xué)元件，與傳統(tǒng)電容器有異，與電池更是相去甚遠(yuǎn)。它又叫雙電層電容器，具有許多優(yōu)點(diǎn)：功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、充放電線路簡(jiǎn)單、安全可靠等。
下面我們來(lái)仔細(xì)看看它和鋰電池之間的差別：
（1）功率密度高，相當(dāng)于鋰電池的2~30倍；
（2）充放電時(shí)間短，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；
（3）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電可循環(huán)使用次數(shù)超過50萬(wàn)次，這是普通鋰電池的500倍，即如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，仍可連續(xù)使用68年。（4）工作溫度范圍寬，超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃； （5）充放電線路簡(jiǎn)單，無(wú)需充電電池那樣的充電電路；
（6）安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，不會(huì)出現(xiàn)爆炸和著火等問題。
這樣的優(yōu)點(diǎn)比之石墨烯超級(jí)電池也是不遑多讓，且目前已有超級(jí)電容公交車亮過相，自是比后者又多了一層現(xiàn)實(shí)的質(zhì)感。在新能源汽車界，人們對(duì)超級(jí)電容器抱以極大的期待。
缺點(diǎn)無(wú)法忽視 但現(xiàn)實(shí)讓人振奮
說(shuō)了這么多，全是超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)。但好比一個(gè)硬幣有兩面，超級(jí)電容器也有著無(wú)法忽視的缺點(diǎn)。
超級(jí)電容器的安裝位置有講究，不合理的話很容易引起電解質(zhì)泄露等問題，破壞電容器的結(jié)構(gòu)性能；雖說(shuō)超級(jí)電容器的充放電電路簡(jiǎn)單，但僅限于直流電路的使用，其內(nèi)阻比較大，不適合交流電路的運(yùn)行要求；然后由于超級(jí)電容器是新一代高科技產(chǎn)品，價(jià)格相對(duì)較高，充電一次只夠電動(dòng)汽車行駛幾公里，每千瓦時(shí)的蓄能產(chǎn)品價(jià)格卻是電池的近10倍，實(shí)際運(yùn)行的成本投入會(huì)很大。這幾個(gè)問題是超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車應(yīng)用上難以大量推廣、單獨(dú)使用的瓶頸。你能想象出一輛公交車跑一個(gè)站然后就要充電一次的情形嗎？這種情況下，我們需要在公交車沿線設(shè)立許多充電裝置（幸好超級(jí)電容充電快，乘客上下車時(shí)間就可以把電充好）。
在2010年的上海世博會(huì)也進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行。湖南長(zhǎng)沙的中上汽車在超級(jí)電容開發(fā)上已經(jīng)達(dá)到新的高度，目前作為示范應(yīng)用的容量能達(dá)到15萬(wàn)法拉，這種超級(jí)電容的公共車輛一次最長(zhǎng)可以行駛20公里左右，充電時(shí)間僅需3分鐘左右就可充好。
在第六屆國(guó)際電池工業(yè)展覽會(huì)上，上海奧威科技開發(fā)有限公司也展示了一款新型超級(jí)電容，能量密度較普通超級(jí)電容提高了50%以上，而在功率上略有降低，更適合搭載在公交車上，使原本需要頻繁充電的超級(jí)電容公交車可以一次性跑20公里。
三、市場(chǎng)分析與展望
目前，超級(jí)電容器已經(jīng)作為儲(chǔ)能部件被應(yīng)用，其使用效果顯著，但主要發(fā)揮的還是配角作用。因?yàn)樵诙唐趦?nèi)，超級(jí)電容器有其局限性，除電動(dòng)公交外，它還不能作為普遍、獨(dú)立的車用儲(chǔ)能電源。
在
今年5月份財(cái)政部等多部委正式發(fā)布的《關(guān)于完善城市公交車成品油價(jià)格補(bǔ)助政策加快新能源汽車推廣應(yīng)用的通知》規(guī)定可獲悉，10米以上鋰電公交車每輛每年最
多補(bǔ)8萬(wàn)元，而同樣的超級(jí)電容公交車每輛每年僅補(bǔ)助2萬(wàn)元，以每輛車運(yùn)營(yíng)8年計(jì)算，一輛車就有48萬(wàn)元的補(bǔ)貼差距。國(guó)家似乎一直都認(rèn)為超級(jí)電容器的研發(fā)是
“另類的”。但超級(jí)電容車只是剛剛起步，一切自有市場(chǎng)的選擇做決定，國(guó)家補(bǔ)助倒是其次的。
與超級(jí)電容不一樣，石墨烯獲得了國(guó)家極大的重視，也有很多機(jī)構(gòu)在研究這種“二維材料”。但這些研究顯然是零散的，國(guó)家需要做的就是將它們?nèi)縿澐秩缓笳?。這樣，“2015年量產(chǎn)石墨烯”倒成了期待，這對(duì)于超級(jí)電池也是一個(gè)好消息。
寫在最后
其
實(shí)石墨烯電池與超級(jí)電容器的技術(shù)之爭(zhēng)由來(lái)已久。同是熱門的前沿技術(shù)，同樣備受關(guān)注被放在一起作對(duì)比在所難免。但這兩項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)一樣明顯，而且現(xiàn)在
很多相關(guān)的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，很容易讓人產(chǎn)生這是“未來(lái)的泡沫”的虛幻感。我們只能期盼有更多的實(shí)際運(yùn)用，比如特斯拉升級(jí)版Roadster的電
池。
