中科院研發(fā)超級電容新材料 能帶動電動車產(chǎn)業(yè)嗎？
日前，中科新華社發(fā)布了一條讓電動車廠商倍感興奮的院研消息，該消息稱：「中科院上海硅酸鹽所科學(xué)家成功研制出一種高性能超級電容器電極材料——氮摻雜有序介孔石墨烯。發(fā)超」并表示，容新」該材料具有極佳的材料電化學(xué)儲能特性，可用作電動車的動電動車『超強(qiáng)電池』：充電只需 7 秒鐘，即可續(xù)航 35 公里。中科」據(jù)悉，院研相關(guān)研究成果已于 18 日發(fā)表在世界頂級學(xué)術(shù)期刊《science》上。發(fā)超聽上去很厲害的容新樣子，不過先別急著激動，材料關(guān)于這個(gè)新材料及應(yīng)用，動電動車這里還有幾件事，中科你或許需要知道。院研
超級電容可以帶我們飛了？
所謂的發(fā)超超級電容器，據(jù)新華網(wǎng)介紹：「是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學(xué)儲能裝置。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長、安全可靠等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于混合電動汽車、大功率輸出設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。」等等，既然這么厲害？為何隨手一搜，大部分的電動汽車主要采用的還是電池呢？比如特斯拉的鋰電池（大部分都是）、豐田 Prius 的鎳氫電池等。原因在于超級電容的能量密度太低了。能量密度低，就意味著滿足實(shí)際需求的電容體積會非常大。而正如報(bào)道所說，找到理想的材料，使得超級電容器兼具高功能、高能量，一直是科學(xué)家們努力的方向。
據(jù) science 上文章顯示，此番研究出的新材料，在能量密度上能達(dá)到鉛酸電池的 41wh／kg 同時(shí)功能性又不錯(cuò)，的確是不小的一個(gè)進(jìn)步了。不過就實(shí)用性而言，以特斯拉為例，目前的特斯拉 Model S 采用的是來自松下的 18650 電池，其能量密度為 233wh／kg，而一輛特斯拉 Model S 上電池，重達(dá) 900 公斤，掐指一算，背著 5000 多公斤的電池跑起來，感覺似乎還是沒有那么美好。事實(shí)上，現(xiàn)在的超級電容在電動汽車中，都是作為電池的從屬，起輔助作用。而秒充這件事，其實(shí)快充快放，一直就是超級電容的一大優(yōu)勢所在，然而能量密度的問題若不能得到解決，一切就只不過聽上去很美好。
值得一提的是，在 science 的文章中，并不能找到「充電只需 7 秒鐘，即可續(xù)航 35 公里」的相關(guān)數(shù)據(jù)，不知這一信息從何而來。
石墨烯？還是類石墨烯碳材料？
新華網(wǎng)文章中將上海硅酸鹽所研發(fā)的這一新材料稱之為「氮摻雜有序介孔石墨烯」，然而事實(shí)上，《science》的文章中，并沒有表示自己使用的是石墨烯，更適當(dāng)?shù)谋硎龌蛟S是類石墨烯介孔氮材料。
事實(shí)上，近年來，類似的報(bào)道頗多，什么「新一代超級電容 幾分鐘充滿可跑 500 公里」，知乎上也有不少「如何評價(jià)『某某研發(fā)出一分鐘充滿電新電池！』這一新聞？ 」每次相關(guān)研究已出，總是新聞帶動起業(yè)內(nèi)相關(guān)人士的一陣興奮，但是，從研發(fā)到實(shí)際生產(chǎn)使用的距離有多遠(yuǎn)？知乎上一名同學(xué)就此次新材料所作的回答或值得思考。下文摘自知乎答主：清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院副研究員, 劉冠偉博士 (知乎 ID 弗雷劉)。
實(shí)驗(yàn)室中的性能突破，但說工業(yè)化還為時(shí)尚早：
本文在炭基材料超級電容器上，通過摻氮，使得有序介孔炭材料具有了電化學(xué)活性，具有贗電容的工作能力，而且在能量密度上達(dá)到了鉛酸電池的 41Wh/kg，功率更是保持了超級電容中一貫的優(yōu)勢。文章中詳細(xì)的表征了該材料的電化學(xué)性能，在不同種電解液中的工作能力，反應(yīng)機(jī)理等等，此處我也不一一詳解了，總之，說它在超級電容領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了突破，是不夸張的。
但是說它想要實(shí)用化呢？我這里有幾個(gè)問題。
（1）成本
文章中使用的制備工藝 1 是典型的模板法：
用 SiO2 模板，然后 CVD 用 CH4 和 NH3 做碳氮源，長出材料，再用氫氟酸腐蝕掉模板，得到材料，不僅如此，之后還要用濃硝酸處理，提高氮含量。
你知道這套工藝量產(chǎn)材料有多貴么？
你知道這套工藝量產(chǎn)材料有多貴么？
你知道這套工藝量產(chǎn)材料有多貴么？
重要的事情要說三遍。
實(shí)際上，SiO2 模板來產(chǎn)材料，產(chǎn)率一定不高，模板制備就有一定成本。然后 CVD 制備材料，如果你的材料是論重量而不是論面積來生產(chǎn)，那成本一定妥妥的是醉了的節(jié)奏；之后還要用劇毒的氫氟酸來腐蝕，危險(xiǎn)的東西防護(hù)成本有多高大家想想，最后還有個(gè)濃硝酸處理，嗯……環(huán)評過起來一定很困難。
在這套技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里很普遍，做研究沒有問題，但如果非說它明天就實(shí)用化，嗯，做夢呢……
當(dāng)然了，本文作者也說了他們還采用了相對更為經(jīng)濟(jì) (inexpensive) 的工藝，大概就是不用模板了，直接做溶膠凝膠，然后再 CVD 合成。
問題還是：溶膠凝膠對于工業(yè)也不是什么便宜貨，然后還是用 CVD….. 反正你成本上就是沒競爭力。
說到這里，很多人可能不服氣，說筆者吃不到葡萄說葡萄酸，成本問題隨著技術(shù)發(fā)展是可以解決的。但是我想說的是，關(guān)鍵還是要看你的新技術(shù)要取代的舊體系是什么：如果是一個(gè)原有技術(shù)昂貴，那你的技術(shù)貴一點(diǎn)是比較好說的；但是如果取代的是現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)的非常便宜的東西（這些各種碳系材料），即使你的新產(chǎn)品性能真的有飛躍，先老老實(shí)實(shí)算算經(jīng)濟(jì)賬，然后再行動研發(fā)投資擴(kuò)產(chǎn)什么的，也是絕對不是坑人的。
（2）電極制備工藝
該文使用的工藝是把活性材料與可壓縮的石墨烯泡沫（做集流體）擠壓在一起，沒加添加劑，制成的極片。
可見使用的并不是傳統(tǒng)的金屬集流體。實(shí)際上，3D 石墨烯泡沫具有很大的比表面積，以及相應(yīng)帶來的良好的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，用這樣的集流體會給材料的性能帶來很多加成，在這方面中科院金屬所成會明院士組有不少工作可以參考。因此這里的一大問題就是：為什么不用傳統(tǒng)的集流體，而是使用了石墨烯泡沫來測試該材料的電性能？如果用傳統(tǒng)集流體，測出的性能會不會更具有參考比較價(jià)值？
（3）整體定位
雖然我們的記者朋友已經(jīng)為該材料定了一個(gè)「充 7 秒跑 35 公里」的性，但是我覺得我們應(yīng)該看看作者對于自己工作的展望。對于超級電容方面的應(yīng)用，該作者意味深長地用了一個(gè)詞，叫 potentially 可以和電池來競爭。所以作者也沒說它一定要和電池短兵相接嘛，先做好電容領(lǐng)域中的老大其實(shí)是比較實(shí)際的。而且最后這個(gè)可以與鉛酸、鎳氫匹敵的評價(jià)后，最后談到鋰離子，作者非常客觀的用了一個(gè)詞： perhaps。
至少我們可以這么認(rèn)為，如果它想去取代鋰離子，難度比前幾種要大的多。所以其實(shí)作者對于該電容的定位其實(shí)非常清晰。
（4）科研 VS 工業(yè)
其它幾位朋友在這里也說了，實(shí)驗(yàn)室里做出來的東西往往要花很久才能工業(yè)化，而有些技術(shù)甚至受至于技術(shù)路線等因素，永遠(yuǎn)不可能工業(yè)化都沒準(zhǔn)。我從來不認(rèn)為科研不重要，但是我覺得國家應(yīng)該加大力度扶持那些可以中試化，有產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)，這才是工業(yè)升級，做強(qiáng)中國制造的正路，因此我也很期待該項(xiàng)技術(shù)可以早些中試化，能夠大批量做出高一致性、可靠性、成本和性能具有一定競爭力的產(chǎn)品。
因此一切的一切將如何發(fā)展，讓我們拭目以待吧。
PS：充電 7 秒鐘跑 35 公里，我是感覺這個(gè)數(shù)字算的很有趣，還是 7 的位數(shù)呢……
好的，折合一秒鐘跑 5 公里，如果是一般的家用電動轎車，一度電跑 7~8 公里，咱就按 10 公里算吧，1 秒鐘充電得要 0.5 度，1kWh=3600kWs 也就是功率達(dá)到 1800kW，嗯，不燒了才怪……
總結(jié)一下就是，此次中科院的新材料確實(shí)有著重大突破，但是從實(shí)驗(yàn)室到工廠到市場還有很遠(yuǎn)的路要走。
標(biāo)簽：電動車 電容 中科院 新材料 閱讀全文
