杜鵑

輕輕觸碰就能為手機(jī)充足電，等待一個(gè)紅綠燈的時(shí)間就能讓電動(dòng)車能量滿滿，這些帶有未來科技便捷感的場(chǎng)景其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)，奧秘就是它們所搭載的“超級(jí)電容器”。有人預(yù)言，它將引領(lǐng)下一代電池革命。

2022年，全球超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模將突破615億美元，而在山西，超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)也正醞釀著巨大的發(fā)展機(jī)遇，循環(huán)壽命達(dá)100萬次以上的最新一代石墨烯超級(jí)電容器已經(jīng)中試成功。那么，超級(jí)電容器是什么，擁有怎樣的優(yōu)勢(shì)，會(huì)給人們生活帶來何種改變，山西如何在這條賽道上跑出加速度？我們來一探究竟——

在上海，一輛電動(dòng)公交車停站間隙只要一分鐘便能充滿電，續(xù)航里程可達(dá)10～15公里。在廣州，一輛有軌電車在乘客上下車間隙，就已自動(dòng)完成充電，用時(shí)不到30秒，還能回收制動(dòng)能量，確保車輛全程不間斷運(yùn)行。讓這些場(chǎng)景變成現(xiàn)實(shí)的奧秘，就是它們搭載的超級(jí)電容器。

中科院山西煤化所的中試車間內(nèi)，年產(chǎn)300萬法拉的超級(jí)電容器正在生產(chǎn)。細(xì)節(jié)決定成敗，制漿是第一道生產(chǎn)工序，從配比到加料順序再到混料時(shí)間，每一個(gè)環(huán)節(jié)的微小誤差，都可能造成整批產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)。15道工藝流程，上百個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)，每一個(gè)技術(shù)員都練就了“眼睛就是尺”的絕技。經(jīng)過漿料制備、極片成型、卷繞封裝、性能測(cè)試等工序，不同規(guī)格的超級(jí)電容器如期下線。

“從材料、器件到工藝流程都是我們自主研發(fā)設(shè)計(jì)的，這批貨馬上要發(fā)給電網(wǎng)企業(yè)掛機(jī)測(cè)試，目前年產(chǎn)百萬法拉的中試線已經(jīng)不能滿足客戶的需求了。”中科院山西煤化所副研究員蘇方遠(yuǎn)介紹。

那么，究竟什么是超級(jí)電容器？為什么稱它為“超級(jí)”？中科院山西煤化所超級(jí)電容器項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王振兵左手拿一個(gè)普通電容器，右手拿一個(gè)藍(lán)色的超級(jí)電容器說：“這兩個(gè)同樣體積和重量的電容器，超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量是普通電容器的10萬倍。此外，超級(jí)電容器安全性很高，比如在遇到碰撞、擠壓，還有極端的穿擊測(cè)試時(shí)，它都不會(huì)爆炸和起火。它還具有非常好的耐候性，在零下40攝氏度時(shí)使用，性能不受影響?！?/p>

中國超級(jí)電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、中科院山西煤化所研究員陳成猛認(rèn)為：“超級(jí)電容器典型的特點(diǎn)是具有更高功率密度，這決定了它可以更快速充放電，僅需幾十秒至一分鐘。它的循環(huán)壽命也很長，例如把它裝在新能源汽車上，10年后這個(gè)車報(bào)廢了，但超級(jí)電容器拆下來，裝在其他新能源汽車上還能使用?！?/p>

電容器就是儲(chǔ)存電荷的容器，人類歷史上最早儲(chǔ)存電荷容器的裝置叫萊頓瓶。1745年荷蘭萊頓大學(xué)物理老師馬森布洛克發(fā)明了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的玻璃瓶，它的外層與內(nèi)壁都包了一層金屬箔，兩層金屬箔之間加一層絕緣體就形成了一個(gè)電容器，可以儲(chǔ)存電荷。有了這個(gè)裝置以后，人們就把摩擦產(chǎn)生的電荷存起來，進(jìn)行研究，為之后電氣時(shí)代的到來奠定了基礎(chǔ)。

“以前超級(jí)電容器剛發(fā)明的時(shí)候，沒有什么應(yīng)用場(chǎng)景，如今在‘雙碳’背景下，電動(dòng)汽車、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等都呼喚更好的儲(chǔ)能設(shè)備，特別是超級(jí)電容器這種高頻、長壽命、免維護(hù)、高功率儲(chǔ)能器件。”陳成猛講解超級(jí)電容器的應(yīng)用場(chǎng)景后，又描述了它的優(yōu)越性能，“超級(jí)電容器不涉及能量轉(zhuǎn)換，它直接把電荷通過物理方式儲(chǔ)存到界面上，可以做到10萬次到100萬次充放電后性能不發(fā)生明顯衰減。而鋰離子電池等普通的電池類器件，因?yàn)閮?nèi)部涉及一些能量轉(zhuǎn)換，所以每一次循環(huán)可能都會(huì)有一些損失。”

據(jù)了解，超級(jí)電容器和普通電池之間存在互補(bǔ)關(guān)系：能量密度方面，普通電池更勝一籌，而超級(jí)電容器是短板;在功率密度方面，普通電池有不足之處，但超級(jí)電容器從循環(huán)壽命、安全性、耐候性來看是長處。所以在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，普通電池和超級(jí)電容器會(huì)被組成混合模組，比如說電動(dòng)汽車需要加速，或者在下坡的時(shí)候，自動(dòng)能量回收由超級(jí)電容器來工作，當(dāng)在平穩(wěn)區(qū)域續(xù)航狀態(tài)下的時(shí)候，用普通電池作為驅(qū)動(dòng)的電源，它們之間可以良好匹配。

目前，世界上許多國家都在積極開展超級(jí)電容器相關(guān)的研究開發(fā)工作，隨著我國對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)政策扶持力度的加大，超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展近年來也受到了高度重視。

值得關(guān)注的是，中國生產(chǎn)廠商技術(shù)的完善和規(guī)?；?yīng)逐漸體現(xiàn)，讓越來越多國產(chǎn)超級(jí)電容器走向規(guī)模化應(yīng)用。陳成猛認(rèn)為：“中國是一個(gè)比較大的市場(chǎng)，應(yīng)用的需求牽引力比較強(qiáng)，在這種帶動(dòng)下，國內(nèi)涌現(xiàn)出的一系列超級(jí)電容器骨干企業(yè)，逐步從二線轉(zhuǎn)入一線，目前中國應(yīng)該是和國際處于并跑狀態(tài)，相信未來我們有能力可以逐步實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。”

“超級(jí)電容器里電極材料90%以上都是碳材料，在碳材料領(lǐng)域的研究方面，山西煤化所很有權(quán)威，而且目前已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化能力，我們希望通過材料器件協(xié)同創(chuàng)新，能夠突破超級(jí)電容器的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展?！蓖跽癖f出研究超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)所在。

料要成材，材要成器，器要好用。中科院山西煤化所的超級(jí)電容器項(xiàng)目，就是沿著這樣的路徑走過來的，從料到材再到器，石墨烯基超級(jí)電容器不僅實(shí)現(xiàn)了好用，而且已經(jīng)在電網(wǎng)企業(yè)掛機(jī)測(cè)試。

超級(jí)電容器具有長壽命、免維護(hù)、大電流輸出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更換超級(jí)電容器后的配電自動(dòng)化終端維護(hù)成本低，電網(wǎng)自愈可靠性更高。電網(wǎng)企業(yè)為什么選擇中科院山西煤化所的超級(jí)電容器？廣州南方電力集團(tuán)科技發(fā)展有限公司總裁黎煉這樣說：“我們?cè)鴮ｉT到山西對(duì)陳成猛團(tuán)隊(duì)的科研成果進(jìn)行過參觀學(xué)習(xí)，覺得他的成果具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，除了在計(jì)量自動(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)上應(yīng)用，替代原來的電池，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，還可以應(yīng)用在新型電力系統(tǒng)、汽車、輪船上等?！?/p>

“目前，我們與南方電網(wǎng)的企業(yè)合作開發(fā)的幾款電源中，在配電終端電力監(jiān)測(cè)用超級(jí)電容器電源這一塊，僅廣州地區(qū)目前存量市場(chǎng)大概是一億元，而且每年會(huì)以16%的速率增長，整個(gè)南網(wǎng)地區(qū)市場(chǎng)規(guī)模大概在十幾億元以上。我們接下來規(guī)劃建立一條自動(dòng)化程度比較高的超級(jí)電容器生產(chǎn)線，把超級(jí)電容器這塊蛋糕做大?！蓖跽癖判臐M滿。

山西發(fā)展超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)要怎么做？陳成猛認(rèn)為：“從整個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈角度，要構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)的生態(tài)。中科院山西煤化所和美錦能源合作開發(fā)的生物制劑電容炭，已經(jīng)在清徐落地轉(zhuǎn)化了，依托這個(gè)自主可控的材料，下一步再把超級(jí)電容器規(guī)?；a(chǎn)，能夠在山西落地，進(jìn)一步延鏈、補(bǔ)鏈、強(qiáng)鏈。這樣，我們有了核心材料、超級(jí)電容器和核心用戶，在一個(gè)好的生態(tài)內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)良性、健康、高質(zhì)量發(fā)展?！?/p>