超級電容的優劣勢與未來應用

現在，當說到電動汽車動力總成設計時，“電池”不再是唯一浮現我們腦海中的詞匯。隨著儲能技術的發展，“超級電容”的誕生為電動/混動汽車開啟了全新的篇章。超級電容是繼機械式儲能方式和化學式儲能方式之后的第三代儲能方式——物理式儲能方式。

超級電容的最大優點在于能夠快速地進行充放電，并且功率密度要遠高于鎳氫電池。得益于此，超級電容不僅能夠起到儲能、供能的作用，而且還具有使電動汽車短時功率提升的效用。

高科技研究公司Lux Research分析師Cosmin Laslau表示，超級電容不僅具有超高充放電效率，同時還能給制動能量再生系統和啟停系統帶來積極作用。一些歐洲和日本車企的微混汽車中采用超級電容，因為這些車型主要針對經常需要啟停的城市路況，超級電容能更好地進行能力回收。今年的法蘭克福車展上，豐田Yaris Hybrid-R便采用了超級電容。

Lux Research公司表示，現在全球消費電子業務營收額約為3.66億美元，其中包括超導體和渦輪葉片控制器這類元件。該公司預計，這項數字將以每年18%的幅度增長。到2018年，重型商用車中將大幅配備超級電容，營收額將達3.23億美元，而乘用車中設計超級電容的營收額將達到1.52億美元。

該公司近期發布了一項名為《交通和電子產品中超級電容的增長趨勢》的研究報告。

傳統電池通過緩慢的化學反應產生電能，而超級電容是通過在電極表面高速移動電子產生電能，也就是說超級電容能的產電效率更高。每個超級電容中含有一對圖上了活性炭的金屬板。

活性炭為多孔結構，因此其表面積非常大，無論采用化學方式還是物理方式，都能牢牢地“鎖”住電荷。

電極對浸于有機電解質中，用于加速電荷運行。當超級電容充滿時，每個碳電極上擁有兩層電荷載體涂層表面。這也是超級電容被稱為雙電層電容的原因之一。

汽車中的超級電容

本田開創了將超級電容用于汽車的先河。2002款FCX燃料電池試驗車中搭載了本田稱作“ultracapacitor”的超級電容。

不過，直到幾年前標致雪鐵龍與Maxwell技術公司簽訂合約，為旗下標致和雪鐵龍微混汽車購買了一批超級電容器，用于e-HDI系統中，超級電容才算正式進入量產化應用階段。同樣地，馬自達在其i-ELOOP系統中采用了類似的電容技術，使電池在保證啟停功能的同時，還能實現制動能量回收的功能。

超級電容技術的支持者表示，超級電容相比傳統電池更適合于長時間工作，因為它們更穩定。不過在一般微混汽車中，車企仍然偏愛傳統電池，因為搭載超級電容將附帶一系列其他元件，包括直流-交流轉換器、發電機等。這些元件將增加汽車的成本，除此以外，車身重量也將有所增加。

車企主要考慮在中混汽車中使用超級電容，或將其作為一個能夠提升峰值功率的元件。Lux的分析師Laslau表示：“有多家原始設備制造商的工程師對超級電容器的應用表現出興趣，例如在中混汽車中利用30-50個超級電容形成電容組。這將實現節能7%左右。”

Prinz團隊的研究重點是解決現有燃料電池在燃燒過程中一系列問題，氧離子在高溫下的移動速度遠高于低溫，這就意味著如果想獲得高的工作效能，則必須讓燃料電池保持在高溫環境，原有的技術所要求的工作溫度往往高于500攝氏度，但這樣的高溫足以融化電池中經常使用的鋅材料。像熔爐或由電池功能的加熱器可以用來為燃料電池提供反應初始熱量，以加快氧離子穿越薄膜的速度；一旦氧氣和燃料開始發生反應，所產生的熱量能夠反過來為薄膜加熱，讓它始終保持在合適的工作溫度。當降低燃料電池工作溫度的時候，氧化還原反應產生能量中用于加熱薄膜的熱量供應將會明顯的降低，但同時氧離子流動速度也會顯著減緩，這種情況下工程師們開始研發適用燃料電池結構的更多材料，希望新型材料既要有高的性價比，還要有過硬的質量保證。

較低的工作溫度代表著較慢的反應速度和較低的氧離子傳遞速度，原來的做法是在速度和溫度之間做出權衡，但是Prinz團隊則希望在更低溫的工作環境下，他們研發的燃料電池既不會減緩氧離子移動速度，也不會降低系統的效能。他們開展的核心工作是重新設計了固體氧化物薄膜結構，使其在低溫下有著更好的氧離子傳遞效率。氧氣是制約燃料電池發展的瓶頸，這也是為什么Prinz團隊把他們的絕大多數努力和創新研究都集中在了薄膜的氧氣側。

傳統的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結構，平面薄膜易于加工生產，但沒能最充分地利用空間，所以Prinz團隊對這種薄膜進行了一系列的提升。首先，它們設計制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，從而增大了可以用來傳遞氧離子的表面面積；其次在起皺的表面設計出微型顆粒凸起結構，看起來跟砂紙類似，進一步增加了固體氧化物和氧氣的潛在接觸點；然后薄膜的厚度也得到了不小的減低，氧離子移動到燃料側變得更簡單方便。這款創新薄膜厚度僅有60納米，大約是玻璃紙厚度的兩百分之一。

Prinz團隊工作人員還提到了一項提高燃料電池效能的創新技術，那就是他們為薄膜噴涂了一種全新的催化劑，但具體材料還沒有公布。最后工程師們還為催化劑層使用了納米級顆粒凸起結構，與砂紙式薄膜表面結構有著異曲同工之妙：氧離子有更多的機會被吸收，以參與之后的氧化還原反應。

Prinz相信他們的新技術將有效地推進低溫環境下固體氧化劑燃料電池的研發進程，低溫高效能的特性為將來推廣到商用供電電源領域打下了堅實的基礎。