超级电容器取代锂电池「超级电容当电池」

早在十多年前，超级电容取代锂电池的论调就层出不穷。随着当前电动汽车市场锂电池风生水起，不少坚持这一论调的人也开始将目光瞄向这一市场。但这个吹捧了十数年的观点，为何迟迟没有成真呢？

超级电容作为储能设备可以说是具有天生的优势，锂电池之类的主流储能形式都是由电能转化学能再转电能，存在一定的能量损失，而超级电容的充放电过程中能量自始至终为电能，充放电效率极高。由于其储能过程无化学反应，而且可逆，所以充放电寿命远高于一般的锂电池。

其次，超级电容的功率密度非常高，瞬时动态特性和扭矩表现更好，非常适合解决大型电动车的启动加速问题。而且在高功率表密度下，更容易做到大功率快充，只需短短十数秒到十分钟，就可以达到额定容量的95%以上.

在安全性上，超级电容也同样胜过锂电池一筹。因为超级电容是物理储能，即便在短路的情况下，也不会出现液体泄漏、冒烟、起火、破裂或爆炸的现象，而且充放电时温升非常小，不必担心过热的情况。而且超级电容的原材料无污染，是绿色的储能设备，可以轻易达到环保标准。

那么有了这么多优点，为何超级电容还没有取代锂电池呢？关键就在于能量密度上。储能设备的首要任务就是“储能”，如果不能存储大容量的电能，那么快充、寿命这些需求都是伪命题，或者是只能用于特定的场景。

SkelCap超级电容 / Skeleton Technologies

超级电容的能量密度并不高，甚至普遍低于10Wh/kg，这与动辄高于150Wh/kg的锂电池相比，可以说是致命的劣势。就拿上图中爱沙尼亚公司Skeleton推出的超级电容来说，其能量密度最高只有6.8Wh/kg。

不仅是质量能量密度，超级电容的体积能量密度同样低于锂电池。也就是说同等电能容量下，超级电容所需的体积和质量都要大于锂电池。对于乘用车这种结构和体积要求严格的产品来说，超级电容可以说是在第一轮就被刷了下来。

不过，这并不代表着超级电容不能在电动车市场找到一席之地，尤其是在公共交通上。

既然在体积上没有优势，那就不妨选择体积要求较小的公共交通市场。早在2006年，上海就投入了超级电容公交车，在上下客期间充电30秒到1分钟就能跑上5公里。然而这种超级电容车虽然能耗低，但设备安装和制造成本过高，并没有广泛推广。

不仅如此，充电一次存储的能量太少，尤其是在大客流和夏天开空调的大功耗下。若要兼顾里程数的话，充电时长又很难满足公共交通快速便捷的特性。乘客不想遇到公交车开两站就停下充电的情况，司机也不想因为充电耽误里程和时间。

为了解决这一问题，不少超级电容车开始采用超级电容 锂电池混用的技术。超级电容负责解决充电速度、加速扭矩和制动等问题，而锂电池则负责辅助解决续航里程问题。如果总行程距离并不长的情况下，可以只在首尾站架设充电弓。若是非得在中途充电的话，也可以在中间站架设充电功率低的充电弓，以解决充电时间问题。

广州黄埔有轨电车1号线 / 广州黄埔发布

2020年底，全国首条超级电容 锂电池的有轨电车，广州黄埔有轨电车1号线也开始正式运营。该线路采用的超级电容单体容量达到9500法拉，上下车间隙的充电时长不到30秒，作为辅助储能的钛酸锂电池则负责紧急情况下的补偿供电。

虽然现阶段超级电容的能量密度不比锂电池，甚至难以超越铅酸电池，但有关的研究依然在探索从材料等角度突破这一限制。

德国慕尼黑工业大学在今年开发出一款“非对称”的超级电容器，结合化学修饰过的石墨烯材料和纳米结构的金属有机框架，其能量密度可以达到73Wh/kg，基本可以可以替代当前的铅酸电池。而且该超级电容非常稳定，在1万个周期后依然可以保持90%的容量。

可弯曲的超级电容 / 伦敦大学学院

伦敦大学学院去年也和中国科学院联合发布了一项研究，通过带孔的石墨烯电极材料，他们将超级电容的体积能量密度提升至88.1Wh/L，而传统的铅酸电池体积能量密度通常在50至90Wh/L。运用新材料的超级电容还拥有极高的灵活度，可以弯曲180度而不影响其性能，所以也可以用于折叠手机和可穿戴产品中。

60000F超级电容 / 中国中车

中国中车也在持续研制石墨烯超级电容，他们当前已有的60000F超级电容已经可以做到40Wh/kg的能量密度和2314W/kg的功率密度。据了解，他们不仅打算继续在能量密度上突破，更是希望做到更高的功率密度，以满足一些国防应用的要求。

超级电容在能量密度上的突破与石墨烯息息相关，但石墨烯目前仍然面临着大规模量产的问题，也给大能量密度的超级电容施加了桎梏。如果无法解决这一问题，超级电容目前仍然只能用于公共交通和风力发电等领域，要想替代锂电池，还有很长的一段路要走。