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1、超级电容 发表于 2013年9月25日11:54译者： 卧薪越甲 原作者：David LaGesse超级电容器不仅充电比电池快，而且工作寿命也比电池长，因为超级电容器在充电和放电的过程中不会对自身机体产生损害。现在，科研人员使用石墨烯来制造新型超级电容，其能量密度是普通超级电容的数倍。超级电容器能快速充电，能取代电池吗？想象一下，只要几秒钟，就能将手机电池充满；或者在旅行时，人们只要等待几分钟，电动汽车的电量就能被重新充满。这将对人们的生活产生怎样的影响？实际上，超级电容器作为能快速充电的设备，已经有数十年的历史了。超级电容器不仅充电比电池快，而且工作寿命也比电池长，因为超级电容器在充电和放电
2、的过程中不会对自身机体产生损害。此外，与电池相比，超级电容器安全性能更好。虽然如此，如果要储存与电池相同的电量，超级电容器的尺寸会比电池大很多；此外，超级电容器的价格昂贵，让其在与电池的市场竞争中处于下风。最近，科研人员在超级电容器技术上的取得一系列突破；有不少科学家因此认为超级电容器有充电速度快，工作性能稳定可靠和能量存储安全性能良好的优势，可以和电池在市场上一决高下。迈克尔桑迪是麦克斯威科技公司的副总裁，他表示：“如果有客户使用超级电容器，他会感到超级电容器只是一个装满闪电的瓶子。”麦克斯威科技瑞士公司是美国知名高新技术制造公司之一，已经向中国销售了数千套用于电动大巴车充电的超级电容器。电
3、池最大的敌人：安全性能低当某人在打一个很重要的电话时，手机因为电量过低而报警，或者家里的孩子因为电动玩具卡车的电池电量耗尽而哭闹，大人不得不对其进行安抚，凡此种种让人们深刻体会到了电池电量有限带给人们的不便之处。而电动汽车的电池不仅充电时间长，而且重量很重，这些对电动汽车的销售也是个不小的障碍；同时，电动汽车电池的安全性也是个难以忽视的问题。就在今年夏天，一个大型销售商不得不对数千套苹果手提电脑电池进行召回，在众多手提电脑和手机的生产厂商中，苹果公司是唯一一个因为安全问题而将电池召回的。在今年早些时候，波音公司的787梦幻客机也是因为电池起火的问题而被停飞。在2010年，一架UPS的飞机在迪拜
4、坠毁，两名机组人员遇难；调查人员认为是飞机运载货物中的电池起火是造成这次空难的直接原因。电池有着起火的潜在危险，这是人们重新对超级电容器感兴趣的原因之一。艾迪技术咨询公司（IDTechEx）的董事长彼得哈偌普表示对于产品安全的问题，人们现在的关注度比以前任何时候都要高。艾迪技术咨询公司是一家设在英国剑桥的市场调研公司。现在，很多公司都在寻找新型能源存储装置，并且要求其安全性要高于电池，因此，彼得哈偌普和其他热心人士都认为超级电容器将作为新兴技术被市场接受。彼得哈偌普说道：电池使用化学物质来存储电能，而化学物质难以被人控制；与之相比，超级电容利用静电电荷来存储电能。这就意味着超级电容器的性能是可
5、预见的，环境温度对其性能影响较小，使用的材料也更加可靠。在运输之前，人们可以将超级电容的电量全部放光，以保证超级电容能被安全地运送到目的地。超级电容的新市场？科学家们早就知道能量除了以化学反应物质的形式存储在电池里之外，还能电荷形式存储。本杰明富兰克林曾使用相当数量的莱顿瓶进行过一次著名实验，他将这些莱顿瓶成为“电池”，在当时的英语里，“电池”这个单词是个军事术语，意思为各种武器一起射击；实际上，当时的那些莱顿瓶只是一种早期形式的电容器。但最近人们在超级电容材料上取得了突破，让超级电容器能在更大范围的应用领域与电池展开竞争。彼得哈偌普说道：“超级电容器的技术发展要快于电池技术。”超级电容器又一
6、次即将取得商业应用成功的边缘。早在1995年，有人就预言超级电容器将成为电力存储的“主流”设备；但直到现在，超级电容器的能量存储能力还是比不上传统的电池，因此超级电容的销量还远远落后于充电电池。在电池行业，存储电荷的能力被称为“能量密度”，输出电荷的能力被称为“功率密度”。从“能量密度”而言，超级电容无法与锂离子电池相比，锂离子电池现在已经广泛应用于手机和手提电脑就很清楚地说明了这一问题：在同等尺寸和重量下，锂离子电池储存的能量大约是超级电容的20倍；这意味着如果iPhone5 手机使用超级电容作为能量存储装置，其厚度将比现在的尺寸厚两到三英吋，让iPhone5的手机尺寸变得比现在厚得多。而从
7、“功率密度”而言，超级电容具有明显的优势：超级电容器能快速存储大量电荷，并以大电流形式快速输出能量。只要想想某人在粗毛地毯上以错误方式摩擦而产生的电火花，或者夏天暴雨时产生的闪电，人们就能知道超级电容器的输出电流的能力。迈克尔桑迪表示：麦克斯威科技公司作为美国主要的超级电容器制造厂商，已经从大巴车制造厂商那里得到了一个大合同。大巴车制造商使用超级电容来吸收大巴车刹车时产生的能量，在大巴车再次从静止状态启动时将能量输出。如果仅从启动汽车的功能而言，超级电容完全能替代混合动力汽车电池，而配置了超级电容器的纯电动汽车也能少装载一些电池。桑迪认为将超级电容器作为电池或发动机的补充，是个保持超级电容器销
8、量的方法。桑迪说道：“超级电容器被视为电池的补充装置，因此我们尽量避免和电池行业的发生直接竞争。”在某些方面，超级电容能够完全替代电池。例如风力发电机一般安装在海岸和其他边远地区，在风力条件变化时，风力发电机的叶片角度需要进行适当调节；在此情况下，超级电容提供瞬时大电流的能力就有了用武之地。同样地，电池也能完全能满足上述要求，但电池内部化学物质的活性会随时间段推移而降低，电池的工作寿命也随之终结。超级电容器却完全不同，它不依赖化学物质存储能量，因此它的工作寿命要比电池长的多。对于风力发电机而言，其安装高度和地址偏远，如果配置电池，对其维护的费用将是十分高昂的。一些欧洲汽车也安装了超级电容器，其
9、使用方式和大巴一样；在平常汽车空转的状况下，这些欧洲“小型混合动力汽车”能关闭汽车发动机，利用“启停”技术，依靠电池电力为动力来前进。法国标致汽车公司将麦克斯威科技公司制造的超级电容器安装到了其生产的一些“雪铁龙”和“标志”轿车上。现在，很多市场上混合动力汽车安装了车载电池，再额外安装一套超级电容器和相关的电子设备无疑会增加数百美元的成本；但超级电容器的支持者却声称：从长远来看，超级电容器的成本要低于电池，因为超级电容器的不仅使用寿命长，而且工作比电池更可靠和更节省燃油。桑迪表示当顾客购买混合动力汽车时，他们首先考虑到是汽车的售价，而不是汽车的效率和长期维护成本。超级电容器商业运用的主要的障碍
10、新型材料的出现，让超级电容器有能力提高自身的能量密度。很多科学家将注意力集中到了石墨烯这一神奇的材料：虽然石墨烯的厚度只是单个石墨原子的厚度，但石墨烯能很快速地传递电子。科研人员早在十年前就能制造出石墨烯，但当时的制造成本十分高昂。现在，一家实验室找到一种利用廉价且常见的家用设备来制造石墨烯的方法，制造出来的石墨烯不仅成本低廉，而且质量很好：在加利福尼亚州立大学洛杉矶校区瑞克卡勒教授主管的化学实验室里，一名研究生利用DVD刻录机制造出来了石墨烯。DVD刻录机能利用激光光束在DVD光盘上蚀刻出图像，这种技术被称为光雕技术。研究人员发现激光光束能将氧化石墨这一普通物质转化为石墨烯薄片，去年的科学杂
11、志就刊登文章描述了这一现象。利用激光技术，科研人员能制造出多孔的石墨烯薄片，这对制造超级电容器意义重大多孔石墨烯薄片能被多层叠加在一起，并且每层石墨烯薄片都能灵敏地感应到电场。在科研人员进行的多次试验中，使用石墨烯制造的超级电容的能量密度是普通超级电容的两到三倍。卡勒说道：“单层石墨烯并不能存储多少能量，但如果我们将数百层乃至数千层石墨烯叠加在一起，情况就完全不同了，我们在试验中就进行了这样的测试。”卡勒并没有具体预测石墨烯这一新型材料何时才能应用于商用超级电容器，卡勒只认为用不了十年，或许不用五年，石墨烯超级电容器就能出现在市场上。但卡勒指出：“即便是石墨烯超级电容器能投入商业运用了，它也将
12、和电池协同工作，而不是取代电池，情况将和现在一样。”卡勒还认为：如果超级电容器储存能量的能力可以和电池相媲美，那么超级电容器就有了诸多电池所没有的各种优势，包括能较高的功率密度、充放电次数能达到数百万次，并且超级电容器不会过度充电，也不会产生过热现象，这种性能是电池所不具备的。艾迪技术咨询公司（IDTechEx）的董事长彼得哈偌普认为随着人们对移动电源设备需求的增加，安全性能优越的超级电容器的数量也会随之增加。众所周知，凡是存储了能量的设备都具有潜在的危险性；因此，电容器必须具有较高的安全性才能被人们使用，。现在的超级电容器制造厂商已经不再使用有毒且易燃的化学材料来制造超级电容器，但彼得哈偌普却认为即便是用了这些化学材料来制造超级电容器，超级电容器的安全性也会好于电池。同时，随着电池尺寸变大越来越大，如用于电动汽车的电池，人们将越来越关注电池的安全性能。电池尺寸越大，一旦出现安全问题，那将是引人注目的大事件。彼得哈偌普表示：“与制造一个安全的手机电池相比，制造一个安全的电动汽车电池的难度可要大得多。”
