锂电+超容,共同驱动能源未来
超级电容当前在交通运输、风力发电、不间断电源等领域得到了广泛应用,其在中国较为广泛的应用来自城市混合动力汽车启停能量回收系统。作为全球最大超级电容器制造商Maxwell公司的首席技术执行官,Mike Everett认为超级电容器能够迅速捕获过剩的电能,并在峰值需求阶段提供电源,且可为锂离子电源、燃料电池等主电源提供功率补偿,因而迅速得到了市场的认可。
和竞争对手大多采用湿法电极制造工艺不同,Maxwell采用的是干电极工艺,这是一种仅通过干混活性碳粉和粘合剂加工成电极的技术,据称在稳定性、抗震性、寿命和成本等方面都更为出色。Everett解释说,在制作电极的过程中,湿电极技术除了需要活性碳粉和粘合剂外,还需加入液态溶剂并对其进行干化处理。这意味着和干电极技术相比,湿电极技术工序更多,且有额外的生产成本。此外,烘干处理很难将溶剂彻底去除,会导致超容在工作过程中产生额外物质,影响电极和电解质的性能,反应产生的气体也会加速超容的老化。
新能源汽车,用锂电还是用超容?
从技术上看,超级电容与锂电池有各自的性能特点。电池中进行的是化学反应,超级电容则是物理反应,它最大的优势在于可以快速的捕捉和释放能源,速度远远高于电池,而且可以反复使用上百万次,寿命长达十年。随着全球对能源需求的日趋紧迫,以及对排放标准的日趋苛刻,Maxwell公司中国区总经理陈宁认为,未来将锂电池与超级电容组合使用的应用将成为市场主流。
例如在典型的汽车启停应用中,超级电容器负责提供大部分启动电流,启动过程中超级电容能稳定板网电路,电容器和电池结合(UBAT)可将电压稳定在不低于12V的水平,而如果单独使用电池,启动过程中电压将下降到11V以下。由于车辆需要反复启动,电容器和电池结合的电压保持能力将比单纯使用锂离子电池出色得多,自然延长了电池的使用寿命,包括寿命即将终止的电池。
但不同的应用场合,对于超级电容器的具体需求各不相同。在混合动力汽车中,一般要求电容器模块具有超大功率密度、长寿命等性能;而对于纯电动汽车,超级电容的安全性可能会是首要考虑因素。那么,如何在超容产品设计上体现出差异性?
在此前的采访中,该公司首席运营官John Warwick曾回应称,Maxwell在设计超级电容单体时首先会考虑通用性,并且要确保高可靠性。在利用单体组成模块之后,就必须要根据不同的应用做出调整,比如有些需要防震性能出色,有些需要可循环次数最多,有些对电源管理和散热管理提出了更加严格的要求,这些特性是通过不同的模块设计体现的。公司今后会在单体领域中,逐步根据不同规模的应用,在一些比较特定的领域中做一些定制化的产品。
今年6月,Maxwell推出了2.85V/3400F超级电容器单体,它采用行业标准60mm圆柱外形,具备更大功率(14KW/kg与12KW/kg)和更多存储能量(3.84Wh与3.04Wh)。此外,考虑到国内公交车行驶路面状况的差异性较大,Maxwell还专门推出了被称作DuraBlue的抗冲击与振动技术。官方资料显示,与同类竞争产品相比,DuraBlue技术可将超容抗振动和抗冲击性能分别提高近3倍和4倍。
图1:Maxwell公司的首席技术执行官Mike Everett和中国区总经理陈宁。
如何进一步降低成本?
众所周知,超级电容器所使用的核心材料首先是碳,所以未来对新型材料技术的开发,包括石墨烯、纳米介孔碳和金属氧化物及其复合材料等,都将对未来超级电容器的成本降低起到至关重要的影响。此外,通过增加电极表面积,提高离子密度,使用不同介质电解液等手段,生产出容量更大的超级电容器,也是Maxwell目前正在努力的方向。目前,Maxwell每年用于研发的费用达到了2500~3000万美元,包括制定一些新的标准用以推动行业发展。
除了核心材料方面的创新外,通过技术的升级换代来减少市场成本、优化生产工艺流程,在生产过程中使用一些大型定制化的机器和设备,也是降低成本的捷径。“这是我们的一贯思路。”陈宁说,2.85V超容单体的推出就是最好的体现,通过提高单体电压,减少系统所需模块数量,实现系统成本的降低。
“我们所面临的挑战是如何抓住市场机遇。因为中国已成为世界上最大的汽车、公共交通、绿色能源消费市场,新型城镇化建设也需要大量机械设备和基础设施投入。”Everett希望能和同行共同把这个行业做大做强,因为只有有了强大的竞争者,整个行业的前景才会更加广阔。为此,Maxwell正积极与中国的合作伙伴加强合作,扩充产能,并准备在多地开设分支机构,提高本地化程度,更好的满足客户多样化的定制需求。
他还特别谈到了中国政府目前针对新能源汽车给予一定程度价格补贴的政策,认为此举彰显了中国致力于实现节能减排,走可持续发展道路的决心。“通过使用更多插入式混合电动车,可以更好的减少污染,并有效提升城市交通效率。而无论是超级电容器,还是锂电池在上述领域都是可以发挥积极作用的。我们非常愿意和电池供应商携手提供一整套系统性解决方案,大幅提升包括新能源汽车在内的多个市场的发展。”Everett说。