榴莲造电池，能弥补锂电池的短板？

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前段时间，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。