锂离子电池作为当今电动汽车主要的能源储存方式有着很多的方便,可是自身诸多的问题导致锂离子电池饱受诟病。所以现在需要一种能够提高或者替代锂电池的材料,来为电动汽车的未来保驾护航。
石墨烯,一个新兴但不陌生的材料。被称为“万用材料”而广泛使用。曾有报道,西班牙Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,用这个电池作为动力源的电动汽车最多可以行驶1000公里,而且其充电的时间不到8分钟。而美国伯克利劳伦斯国家实验所的化学工程师埃尔顿·凯恩斯则设计了一枚仅有硬币大小的电池,采用的是锂、硫磺和氧化石墨烯等易获取的材料,储存的电量是传统电池的2到5倍。此外,凯恩斯和他领导的研发团队在进行了1500次的充放电试验后证实,这种电池仅仅丧失了不到一半的储电能力,这是目前最好的锂电池才能达到的水平。
所以石墨烯的前景是非常有优势的,许多的国家也纷纷建起了自己的石墨烯研发中心,欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”,设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。
说完石墨烯,我们再来看看另一个材料超级电容。
顾名思义,超级电容作为储能材料的一种,通过电极材料与电解液界面形成双电层,或电极表面快速的氧化还原反应来储存电能,可以在充放电的过程中释放大量的能量,但其功率只有普通电容的十分之一。与化学变化的锂电池充放电过程相比,超级电容器可以快成快放,不用担心损伤电池,但是超级电容能存储的电量并不多,因此超级电容并不能作为供电设备单独使用。
超级电容器可以分为三类,准(赝)电容器、混合型超级电容器和双电层电容器。双电层电容器,正、负极均使用超高比表面活性炭,俗称电容炭。准电容器,以金属氧化物、导电聚合物为电极材料。其中,双电层电容器中碳正、负极的有机介质电容器在目前电动汽车中最为常用。其中C/C无机体系和C/C有机体系,由于其电压在2.7V,比能量3~6Wh/kg,比功率3~12kW/kg,循环寿命达到106次,是目前电动汽车应用的首选。
不过,一位来自英国剑桥大学的的科技产业顾问机构 IDTechEx 董事长Peter Harrop就表示说,一种新形态的电力储存设备,结合超级电容与锂电池的优势,而且可以用汽车引擎的热能来充电,将是未来汽车的理想选择。他介绍到:“这种超级电容电池(supercabatteries)具备电池与超级电容的特性,通常介于两者之间;该蓄电装置有以铅酸(lead-acid)电池或镍(nickel)电池为基础的版本,而市场主要关注的是采用锂离子电极以及超级电容电极的类型;”Harrop指出:“那些非对称(asymmetric)电化学双层电容器(electrochemical double layer capacitor,EDLC)也被称为锂离子电容,因为具备充放电速度较快以及其他较优异的特性,有取代车用锂离子电池与超级电容的潜力。”
现在石墨烯的制备由于十分有难度,所以现在的发展还有些缓慢,但随着未来技术的提升后一定会广泛普及,而超级电容电池正在获得全球各家前瞻汽车制造商的青睐,其中包括宝马等知名品牌,孰优孰虑,我们还待观察。