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中科院的超级电容新材料，真的能带飞电动车产业？
日前，发布了一条让电动车厂商倍感兴奋的消息，该消息称：“中科院上海硅酸盐所科学家成功研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。”并表示，”该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的‘超强电池’：充电只需7秒钟，即可续航35公里。”据悉，相关研究成果已于18日发表在世界顶级学术期刊《》上。听上去很厉害的样子，不过先别急着激动，关于这个新材料及应用，这里还有几件事，你或许需要知道。超级电容可以带我们飞了？所谓的超级电容器，据新华网介绍：“是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点，现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。”等等，既然这么厉害？为何随手一搜，大部分的电动汽车主要采用的还是电池呢？比如特斯拉的锂电池（大部分都是）、丰田Prius的镍氢电池等。原因在于超级电容的能量密度太低了。能量密度低，就意味着满足实际需求的电容体积会非常大。而正如报道所说，找到理想的材料，使得超级电容器兼具高功能、高能量，一直是科学家们努力的方向。据science上文章显示，此番研究出的新材料，在能量密度上能达到铅酸电池的41wh／kg同时功能性又不错，的确是不小的一个进步了。不过就实用性而言，以特斯拉为例，目前的特斯拉Model S采用的是来自松下的18650电池，其能量密度为233wh／kg，而一辆特斯拉Model S上电池，重达900公斤，掐指一算，背着5000多公斤的电池跑起来，感觉似乎还是没有那么美好。事实上，现在的超级电容在电动汽车中，都是作为电池的从属，起辅助作用。而秒充这件事，其实快充快放，一直就是超级电容的一大优势所在，然而能量密度的问题若不能得到解决，一切就只不过听上去很美好。值得一提的是，在science的文章中，并不能找到“充电只需7秒钟，即可续航35公里”的相关数据，不知这一信息从何而来。石墨烯？还是类石墨烯碳材料？新华网文章中将上海硅酸盐所研发的这一新材料称之为“氮掺杂有序介孔石墨烯”，然而事实上，《science》的文章中，并没有表示自己使用的是石墨烯，更适当的表述或许是类石墨烯介孔氮材料。事实上，近年来，类似的报道颇多，什么“”，知乎上也有不少“如何评价‘某某研发出一分钟充满电新电池！’这一新闻？ ”每次相关研究已出，总是新闻带动起业内相关人士的一阵兴奋，但是，从研发到实际生产使用的距离有多远？或值得思考。下文摘自知乎：实验室中的性能突破，但说工业化还为时尚早本文在炭基材料超级电容器上，通过掺氮，使得有序介孔炭材料具有了电化学活性，具有赝电容的工作能力，而且在能量密度上达到了铅酸电池的41Wh/kg，功率更是保持了超级电容中一贯的优势。文章中详细的表征了该材料的电化学性能，在不同种电解液中的工作能力，反应机理等等，此处我也不一一详解了，总之，说它在超级电容领域，实现了突破，是不夸张的。但是说它想要实用化呢？我这里有几个问题。（1）成本文章中使用的制备工艺1是典型的模板法：用SiO2模板，然后CVD用CH4和NH3做碳氮源，长出材料，再用氢氟酸腐蚀掉模板，得到材料，不仅如此，之后还要用浓硝酸处理，提高氮含量。你知道这套工艺量产材料有多贵么？你知道这套工艺量产材料有多贵么？你知道这套工艺量产材料有多贵么？重要的事情要说三遍。实际上，SiO2模板来产材料，产率一定不高，模板制备就有一定成本。然后CVD制备材料，如果你的材料是论重量而不是论面积来生产，那成本一定妥妥的是醉了的节奏；之后还要用剧毒的氢氟酸来腐蚀，危险的东西防护成本有多高大家想想，最后还有个浓硝酸处理，嗯……环评过起来一定很困难。在这套技术在实验室里很普遍，做研究没有问题，但如果非说它明天就实用化，嗯，做梦呢……当然了，本文作者也说了他们还采用了相对更为经济(inexpensive)的工艺，大概就是不用模板了，直接做溶胶凝胶，然后再CVD合成。问题还是：溶胶凝胶对于工业也不是什么便宜货，然后还是用CVD.....反正你成本上就是没竞争力。说到这里，很多人可能不服气，说笔者吃不到葡萄说葡萄酸，成本问题随着技术发展是可以解决的。但是我想说的是，关键还是要看你的新技术要取代的旧体系是什么：如果是一个原有技术昂贵，那你的技术贵一点是比较好说的；但是如果取代的是现有的大规模生产的非常便宜的东西（这些各种碳系材料），即使你的新产品性能真的有飞跃，先老老实实算算经济账，然后再行动研发投资扩产什么的，也是绝对不是坑人的。（2）电极制备工艺该文使用的工艺是把活性材料与可压缩的石墨烯泡沫（做集流体）挤压在一起，没加添加剂，制成的极片。可见使用的并不是传统的金属集流体。实际上，3D石墨烯泡沫具有很大的比表面积，以及相应带来的良好的三维导电网络，用这样的集流体会给材料的性能带来很多加成，在这方面中科院金属所成会明院士组有不少工作可以参考。因此这里的一大问题就是：为什么不用传统的集流体，而是使用了石墨烯泡沫来测试该材料的电性能？如果用传统集流体，测出的性能会不会更具有参考比较价值？（3）整体定位虽然我们的记者朋友已经为该材料定了一个“充7秒跑35公里”的性，但是我觉得我们应该看看作者对于自己工作的展望。对于超级电容方面的应用，该作者意味深长地用了一个词，叫potentially可以和电池来竞争。所以作者也没说它一定要和电池短兵相接嘛，先做好电容领域中的老大其实是比较实际的。而且最后这个可以与铅酸、镍氢匹敌的评价后，最后谈到锂离子，作者非常客观的用了一个词： perhaps。至少我们可以这么认为，如果它想去取代锂离子，难度比前几种要大的多。所以其实作者对于该电容的定位其实非常清晰。（4）科研VS工业其它几位朋友在这里也说了，实验室里做出来的东西往往要花很久才能工业化，而有些技术甚至受至于技术路线等因素，永远不可能工业化都没准。我从来不认为科研不重要，但是我觉得国家应该加大力度扶持那些可以中试化，有产业化前景的技术，这才是工业升级，做强中国制造的正路，因此我也很期待该项技术可以早些中试化，能够大批量做出高一致性、可靠性、成本和性能具有一定竞争力的产品。因此一切的一切将如何发展，让我们拭目以待吧。PS：充电7秒钟跑35公里，我是感觉这个数字算的很有趣，还是7的位数呢……好的，折合一秒钟跑5公里，如果是一般的家用电动轿车，一度电跑7~8公里，咱就按10公里算吧，1秒钟充电得要0.5度，1kWh=3600kWs 也就是功率达到1800kW，嗯，不烧了才怪……总结一下就是，此次中科院的新材料确实有着重大突破，但是从实验室到工厂到市场还有很远的路要走。
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　　北极星储能网讯:据新华网消息，12月18日，中科院上海硅酸盐所的科学家研制出一种高性能超级电容器电极材料。该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的&超强电池&。相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。
　　网络上将该技术突破解读为中国研发出一种石墨烯电池，将超级电容器和电池混为一谈。有网友质疑超级电容器公交车的实用性，怀疑采用最新技术的公交车是否能一次充电就行驶35公里。笔者希望能澄清超级电容器与现在和老百姓生活最为息息相关的锂电池的区别，并简单介绍超级电容器电动公交车的应用现状，最后谈谈对使用新技术的电动公交车的憧憬。
　　什么是超级电容器
　　最简单的电容器是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，两金属板分别带等量异种电荷，这个过程中正负电荷会迅速向金属电极移动，也就是充电。当撤除两个金属电极之间的电压后，电容器两极正负电荷通过导线中和，这个过程会产生电流，也就是放电。
　　超级电容器是将导体与电解质接触后，在其表面产生稳定而相性相反的双层电荷，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存的新型储能装置。在双电层电荷中的电解液以离子形式出现，尺寸在纳米左右，从而使电容器能得到纳米级的电极距离，获得更好的性能。超级电容器的能量存储机制中基本无化学反应的发生，或仅涉及界面层的化学反应，因此具有很高的可逆性，可以保证超级电容器远远高于锂电池的充放电循环性能。
　　超级电容器的基本结构包括两个高比表面积多孔性电极、多孔性隔膜材料以及吸附其中的电解液。隔膜一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜，要求具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导。在每个电极的另一面紧贴有集电极以减少电容器的阻抗损耗。
　　超级电容器的优点
　　正是因为超级电容器独特的结构和工作原理使其拥有三大优点：
　　一是有非常高的功率密度。功率密度可为电池的10&100倍，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得超级电容器非常适用于短时间高功率输出的场合，比如电磁炮。
　　二是充电速度快。超级电容器可采用大电流充电，能十秒至几分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。
　　三是循环寿命长，一般情况下循环充放电次数高达10万次以上。
　　另外，超级电容器与蓄电池并联可应用于各种内燃发动机的电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池容量不足的情况下，确保可靠启动。
　　锂电池和超级电容器的区别
　　电容器本质上存储的是电荷，在放电的时形成电流。而锂电池的储能物质是锂离子，是在充电的时候将电能转化为化学能，在放电的时候将化学能转化为电能。
　　虽然锂电池在能量密度上远强于超级电容器，但在功率密度、充放电速度、循环寿命等方面逊色于超级电容器。
　　另外，某些锂电池在安全性上也存在一定隐患，比如日本松下的钴酸锂电池。
　　钴酸锂电池虽然有着非常高的能量密度比，但安全系数并不高&&钴酸锂电池在一定温度下会释放氧气，氧气导致更加的不稳定，进而恶性循环，更多的氧气导致更加低的起火温度；另外，钴酸锂电池电解液稍有不慎，比如震动、温度升高就会造成电池内部压力升高，然后发生爆炸，而脆弱的电池外壳在受到外力撞击时很容易破裂，导致电解液挥发起火，甚至爆炸。这使得采用只钴酸锂电池串联作为动力的特斯拉深受其害，即便特斯拉汽车改进了电池的排列方式，加固了汽车地盘，添加了保险丝和冷却剂，依旧烧车不断：
　　日，特斯拉ModelS在路边起火燃烧；
　　10月18日，特斯拉ModelS在墨西哥高速行驶时失控，撞击混凝土障碍物后又撞击树木，停止后发生起火、爆炸；
　　11月6日，特斯拉ModelS在美国田纳西州士麦那起火燃烧，田纳西州公路巡逻队称，当天下午这辆电动汽车冲向拖车挂钩，撞击底盘后发生火灾；
　　11月15日，特斯拉ModelS车主把车停在了自家车库里充电，凌晨3点左右突然起火&&
　　在2013年，特斯拉ModelS总计卖出21000余辆，相对于较小的总量，自燃概率着实不低。
　　当然，锂电池当中也有相对比较靠谱的，比如磷酸铁锂电池，虽然能量密度相对于钴酸锂电池低一些。
　　硅酸盐所的新材料到底是啥
　　今年9月，中国科学院上海硅酸盐研究所和北京大学合作研究，崔厚磊、黄富强等研究者发现了一种全新的超级电容器性能优异的氮化铌电极材料&&Nb4N5纳米孔薄膜，Nb4N5属于四方晶系的I4/m空间群，为一种富含Nb空位缺陷的NaCl型结构，具有极佳的电化学储能特性。Nb4N5纳米孔薄膜的制备过程简单，只需对Nb箔在适当条件下进行阳极氧化，随后在NH3气氛中热处理，即可制备出高度有序的Nb4N5纳米孔阵列。XPS分析结果表明Nb4N5同时包含Nb3+和Nb5+，混合价态阳离子的存在不仅产生了法拉第准电容，而且还具备良好的类金属的导电性和异常优异的循环寿命&&2000个循环伏安周期后电容保留率提高到接近100%。
　　更重要的是该技术可作为良好支撑体来沉积其他活性材料，组成复合电极，为开发设计新型的氮化物、氧氮化物超电电极材料提供了良好思路。本次黄富强教授研究团队设计合成的氮掺杂的有序介孔，有可能就是前者的衍生。而且氮掺杂诱生了氧化还原反应，也增加了电化学储能活性，又没有降低材料的高导电率，因而氮掺杂的有序介孔石墨烯具有极佳的电化学储能特性，比容量高达855法拉/克，组装成的对称器件能快速充电和快速放电。
　　一些媒体称之为&石墨烯电池&，其实并不准确，因为氮掺杂的有序介孔石墨烯目前被用于超级电容器，而非锂电池。另外，石墨烯电池并非是对锂电池的革命，因为目前所谓石墨烯电池的储能物质依旧是锂离子&&石墨烯电池仅仅是将锂电池的副极用石墨取代，或者和正极、负极材料复合后，提高锂电池的充放电性能，比如将正极材料LiFePO4、负极材料Li4Ti5O12分别与石墨烯复合，制备了LiFePO4-石墨烯/Li4Ti5O12-石墨烯为电极的柔性锂离子电池，具有高充放电速率。虽然石墨烯材料具有诸多优点，应用前景广泛，但目前网络对石墨烯的神话和炒作已经过犹不及。
　　新电极材料能带来电动车革命吗
　　其实使用超级电容器的电动公交车早已不是新鲜事，早在2013年11月，由中上汽车公司制造的超级电容纯电动公交车就在湖南长沙星沙的101路公交线路上投入运行。据中上汽车公司技术人员介绍，该车三分钟可完成整车充电，一次充电可行驶20公里，最高时速60公里，在下坡和刹车时，车辆可以将下坡释放的势能和刹车制动释放的能量转化为电能为电容充电。自动为电容充电在60℃至零下40℃的温度下仍能正常运行，可反复充电5万次以上。
　　在今年4月，由中国南车株洲电力机车有限公司的30秒闪冲超级电容器电动车在宁波生产基地下线，该车30秒充电后，可行驶5公里，同样具备将下坡释放的势能和刹车制动释放的能量转化为电能的能力，充放电次数可大100万次。
　　从实践的角度看，电动小型车大多采用能量密度较高的锂电池。而超级电容器往往应用于体积较大、可以走走停停到站充电的城市公交车。而采用氮掺杂的有序介孔石墨烯电极材料的超级电容器的能量密度也只有锂电池的一半不到，因此，该并不会对电动小型车带来革命性变革。
　　至于使用新技术的公交车是否能跑35公里，因为涉及电能&&机械能转化，电动公交车的重量、尺寸、载客量和内部空间设计给电容器预留的空间大小，以及所搭载的超级电容器的规格和路况，因而需要具体情况具体分析。
　　北京大学化学与分子工程学院网站的一篇文章认为，&若这种新型石墨烯所制备成水性电解液的超级电器，与目前有机电解液超级电器驱动的公共汽车相比，行驶里程可以从5公里提高至25公里&。
　　笔者也斗胆对于使用的电动公交车做一个类比推测。根据中上汽车的官方资料，超电纯电动客车空载12吨（2吨超级电容），车长12米，座位34个，限客100人，一次充电3-6分钟，行驶距离20公里，其超级电容器的能量密度为10Wh/kg，而使用氮掺杂的有序介孔材料的超级电容器的能量密度可以达到41Wh/kg（基于活性物质为63Wh/kg），虽然和锂电池电动车100&150Wh/kg的能量密度有较大差距，但相对于以往的材料和技术，4-6倍的能量密度提升不可谓不大。如果该使用新技术，那么超级电容器的能量密度将是原来的4-6倍，在其他规格不变的情况下，也就意味着该电动公交车的所载的能源是原来的4-6倍，行驶距离大幅提升是必然的，在不考虑路况等变量因素的情况下，行驶距离从20公里提升到35公里将不再是梦想。
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来源：观察者网
关键词：超级电容 充电 续航
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原标题：第一个全3D打印的超级电容器腕带，可以随时随地给手机快充 有没有过这样的经历，刚准备出门，不
原标题：第一个全3D打印的超级电容器腕带，可以随时随地给手机快充
有没有过这样的经历，刚准备出门，不巧，手机电量有点尴尬，可是既不想等着手机充好电，也不想兜里揣个充电宝鼓鼓囊囊的。然后只能跨个包，包里揣着个充电宝，一点不符合轻装简行说走就走的作风。
所以，一个足够小又方便携带的充电器，就会很实用。这种情况下，可穿戴设备就是一个很自然就能想到的方向。
比如说手环。
伦敦布鲁内尔大学的研究人员就做了一个这样的手环。这是利用3D打印技术做成的一种柔性超级电容器。
该项目是由布鲁内尔大学的清洁电子研究小组（Cleaner Electronics Research Group）进行的。该研究小组称，这是第一次通过单一的连续过程生产一个柔性的超级电容器。这项成果的论文已经发布在Materials Science and Engineering&journal上面。
这种超级电容器能够在表面储存相对少量的能量，它们能够快速、清洁地进行充电，而不需要内部的化学反应。
来自清洁电子研究小组的Milad Areir说：“这是第一次使用3D打印来一个柔性超级电容器的全部组件。最流行的制作方法是丝网印刷，但你不能在硅胶上打印超级电容器的框架。”
因此，他们使用了一种开创性的方法：使用了一种开源3D打印机，这种3D打印机可以用三到四种注射器，将一种特殊的电解质粘在胶水和硅树脂之间。这些不同的层会在中央超级电容器周围凝固，从而形成一个腕带。
3D打印技术可以一次中打印出几个腕带，可以在蜂窝模式下进行打印，从而节省时间和材料，来降低成本。
之前，研究人员通过3D打印技术制造柔性超级电容器，过程往往是多阶段的，采用多台机器，并使用昂贵的选择性激光熔解技术。
相比之下，上述的这种3D打印技术要容易得多，可以使用相对便宜的日常用品和材料。未来，如果你有3D打印机的话，很可能也可以自己生产这样的柔性超级电容器腕带。
Areir说：“将来它会被用来给手机充电。”如果你手机电池没电了，就可以把手机插到腕带上，作为一个临时的充电器，提供足够的能量直到下一个充电点。
这种柔性电容器的突出特点在于采用3D打印，材料便宜，并且形态上很方便携带，在充电之外还可以作为一个漂亮的手环装饰。
相比之下，美国乔治理工大学和韩国大学近期公布的一种纸质超级电容器，则在储能上具备更强大的性能。与电池相比，超级电容器的优点是高功率密度，可以短时间释放大量电力，但是能量密度低，不能长时间充电。想要将电容作为储能设备，其低能量密度是最大的限制。
两校的研究人员使用金属纳米粒子，大大提升了能量密度，而且折叠数千次也不影响导电率，总体性能上来说，达到迄今已知的纺织品超级电容器的最佳。
如果以上两种超级电容器的优点，可以结合到一起，一来像平常使用的手环那样方便携带，另一方面又可以使用较长的时间，既实用又美观，那就再好不过了。
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