許久沒在行業(yè)內(nèi)活躍的超級電容器又有了新的消息。

2月初，澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種新的混合超級電容器，在保持超高充電功率的基礎(chǔ)上，能量密度相比此前的超級電容器顯著提升，已經(jīng)接近鎳氫電池。

但盡管如此，不到目前主流動力電池三分之一的能量密度，仍然未能解決其“充得快、跑得不遠(yuǎn)”的問題，仍然無法讓其作為新的電池方案應(yīng)用于電動汽車的動力輸出。

▍充電超級快的超級電容器

從技術(shù)上來看，超級電容器屬于第三代儲能裝置。第一代為機(jī)械式儲能，如飛輪、發(fā)條等；第二代為化學(xué)式儲能，如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等；而第三代就是以超級電容器為代表的物理式儲能裝置。

超級電容器的“前身”當(dāng)然是電容器。兩個相互靠近的導(dǎo)體作為電極板，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，這就構(gòu)成了電容器。當(dāng)電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。

電容器原理

超級電容器則是在傳統(tǒng)電容器基礎(chǔ)上，在兩個極板之間加入電解液和隔膜，同時極板材料應(yīng)用活性更好的活性炭、金屬氧化物等，在實(shí)現(xiàn)電容器儲存電荷功能的基礎(chǔ)上，將其升級為可供充放電的電池，同時顯著加大電荷存儲效果。

目前，超級電容器主要分為三種——雙電層電容器、法拉第贗電容器和混合超級電容器。

雙電層電容器原理

雙電層電容器保持了電容器最大的特性——物理儲能，即電解液與極板之間不是像目前的化學(xué)電池如鋰離子電池一樣，產(chǎn)生“嵌鋰脫鋰”的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)充放電，而是利用極板電荷與電解液離子的極化作用實(shí)現(xiàn)充放電。

這也是超級電容器的最大的特點(diǎn)，此種物理儲能由于不涉及化學(xué)反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更快速的充放電速率。同時，由于沒有化學(xué)反應(yīng)，電極材料可以擁有更長的壽命。

兩個最明顯的數(shù)據(jù)可以說明超級電容器的性能優(yōu)勢。超級電容器的功率密度（代表充電能力）是鋰離子電池的25~60倍。當(dāng)前，鋰離子電池的快充速度普遍在1小時左右，而超級電容器能夠?qū)崿F(xiàn)分鐘級別甚至秒級的充滿速度；鋰離子電池的重復(fù)充放電次數(shù)一般在2000次左右，而超級電容器則能達(dá)到100萬次以上。

但雙電層電容器也有致命的缺點(diǎn)。其難以儲存更多的能量，雖然充的快，但充的電量少。超級電容的能量密度在4~8Wh/kg，不到鋰離子電池的1/10（100~300Wh/kg）。

也就是說，其充滿一次電也就是能跑幾十公里。

為了解決這個問題，就有了第二種超級電容器——法拉第贗電容器。其是以“準(zhǔn)電容-準(zhǔn)電容”為主要機(jī)制，在電極表面的二維或準(zhǔn)二維空間上，正極和負(fù)極表面分別以金屬氧化物的氧化/還原反應(yīng)為基礎(chǔ)或以有機(jī)半導(dǎo)體聚合物表面摻雜不同電荷的離子為基礎(chǔ)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。

由于產(chǎn)生了電化學(xué)反應(yīng)，在相同的電極面積的情況下，法拉第贗電容器的容量是雙電層電容的10—100倍，同時本身電容器的結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)較好的充放電速率。

而混合超級電容器則是更進(jìn)一步，一個極板上采用雙層電容器結(jié)構(gòu)，另一個極板上采用有電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)充電功率和能量密度的雙重平衡。

這也是此次昆士蘭科技大學(xué)在研究的超級電容器類型。數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過測試，該電容器能量密度達(dá)到73Wh/kg，比早期的超級電容器能量密度實(shí)現(xiàn)了數(shù)十倍的提升，接近鎳金屬氫化物電池，也接近達(dá)到目前高能量密度鋰離子電池的30%，而其功率密度（充電能力）是鋰電池的10倍左右。

▍技術(shù)有突破，但產(chǎn)業(yè)化路徑還很漫長

基本原理了解后，我們來看看產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的情況。

目前來看，盡管超級電容的技術(shù)研究有所突破，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然緩慢滯后。

事實(shí)上，超級電容器上一次引起行業(yè)關(guān)注還是兩年前特斯拉以 2.18 億美元溢價 55% 收購Maxwell的時候。

Maxwell制造的超級電容器

不同于像固態(tài)電池這樣的前沿技術(shù)被眾多初創(chuàng)公司所追逐，Maxwell已是超級電容器領(lǐng)域的老玩家。其前身是 1965 年成立的 Maxwell 實(shí)驗(yàn)室，總部位于美國圣地亞哥，最初主要為美國軍方和其他政府機(jī)構(gòu)提供研發(fā)服務(wù)，1990 年代轉(zhuǎn)向技術(shù)和產(chǎn)品商業(yè)化應(yīng)用，目前主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域涉及超級電容器和干電極技術(shù)等。