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水果之王变储能之王,能否弥补锂电池的短板?

2020年04月18日 23:15:03
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来源:爱车兵团

段时间,现代汽车为广大电动汽车使用者,发布了五条暖心的充电小贴士;不但让广大的车主对如何正确充电有了一定的认识,更是从根本的观念之中,改变消费者对电动汽车和燃油汽车的看法。并且笔者在其中也提及到,当动力电池处在极限工作状态(即大电流放/回电)时,会由于锂枝晶的出现导致动力电池产生不稳定,甚至存在影响电池安全的因素。

当我们把视线放远一点时,便会发现能充放电和储电的电气元件其实不止电池一种,还有超级电容。最近悉尼大学的专家群组,更是从榴莲中发现适用于超级电容的材料。

在中小学的课堂上,我们见过老师以动物和水果为基础点亮小灯泡的实验,这当中要传达的正是生物电的概念。在科技月刊《Journal of Energy Storage》之中,悉尼大学化学与生物工程学院的Vincent .G. Gomes(戈麦斯)副教授提出了一个大胆的发现:从榴莲和菠萝蜜的剩余残留物中,可以提取出制造超级电容材料的有效成分。

通过高压灭菌的操作,戈麦斯团队把榴莲与菠萝蜜核去除杂质,并将其冷冻在零下80度真空环境中;再经高热处理,最终做出了一批性能良好的碳气凝胶原料。近年来,材料学专家也一直尝试以其它自然界植物,比如西瓜与西柚的果皮,甚至纸浆为原料,制造碳气凝胶。

所谓的超级电容,有别于我们认识的普通电池。一般的电池,是需要通过内置活性物质的化学反应来储存电能;而超级电容是通过极化电解质来储能,由于其储能的过程并不发生化学反应,因此这种储能过程是可逆的,因此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容一般使用活性碳电极材料,具有吸附面积大,静电储存多的特点,在新能源汽车中有广泛使用。

数十万次的充放电次数,是各类型动力电池所难以做到的表现。它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点;并且还可以提供超大电流的电力;用作车辆启动电源,启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高,可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车。

正是因为超级电容的优点十分突出,因此世界各国尤其是发达国家,都在不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面,而且还建立专门的国家管理机构如USABC、SUN和REVA等,纳入 国家发展计划并由国家投入巨资和人力并积极推进。

在商用车领域,其实超级电容也有所涉猎,比如说在日本和俄罗斯,都有使用超级电容的公交车投入运营,只需要在停站时充电20秒就能行驶20公里。 而在国内,上海前些年也投入过采用超级电容的公交车作为城市交通干线运营; 甚至还有利用超级电容器的轨道列车。

超级电容的优点表现着实优异,可是其短板方面却也同样突出;具备快速充放电的超级电容,在电压部分要比电池组低,无法存储太多能量,能量密度只有锂电池的十分之一。

根据实验数据,戈麦斯团队在超级电容中加入榴莲果核制造的碳气凝胶后,它的质量能量密度达到82.5瓦时/千克(wh/kg),比起传统超级电容10到20wh/kg要优秀得多;但现有汽车市场上纯电动力汽车电池的质量能量密度,大约是350wh/kg。并且,超级电容本身也有容易出现电解液泄漏、只适用于直流电路等短板。

但基于其独有特性,也有零部件制造商将超级电容与锂电池进行互补。根据广西大学电气工程学院和福州大学对混合储能领域的研究,可以通过逻辑门限控制策略对电量进行调配。简单来说,就是把超级电容作为“蓄水池”,当电机处于驱动或制动模式下,锂电池组承担了基本驱动或制动吸收功率需求,超过基本功率的由超级电容模组承担。又或者通过模糊控制器,适当调整超级电容的充放电功率,保证其荷电状态维持在能有效响应高频分量波动的最优运行区间内;为了减少因超级电容状态调整而导致的电池使用寿命的损耗。

随着电池技术的发展,我们对能耗的要求已经摆脱了治理大气环境的“初级阶段”,继而向着如何更精进和优化地使用能源的“高级阶段”发展。从电动汽车是否需要多挡位变速箱,到如今动力电池的“混动化”,相信新能源会在科技的推动下继续以迈进式的步伐发展、迭代。

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