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超级电容与锂电技术路径之争

导读: 欧盟于2013年10月正式启动石墨烯旗舰项目(FET),利用高强度、高导电石墨烯薄膜材料提升电容器物理性能为其探索方向之一,并取得阶段性成果。

  欧盟于2013年10月正式启动石墨烯旗舰项目(FET),利用高强度、高导电石墨烯薄膜材料提升电容器物理性能为其探索方向之一,并取得阶段性成果。

  超级电容在某些特定应用场景优势明显。相较于化学电池,超级电容具有瞬间释放大功率、使用寿命长,低温性能好等优势,广泛应于新能源汽车的某些特定领域。如Maxwell生产的超级电容器主要应用于混合动力客车制动能量回收系统、轨道交通的车载储能系统以及重型卡车的启动电源等方面。但其最大瓶颈为能量密度低(工业化应用的一般为蓄电池的5-15%),较难作为动力来源单独提供能源,未来技术发展方向为提升能量密度以及对高电压工作环境的适应性。

  “超级电容有望替代电池”论断尚无可靠依据。1)尽管引入石墨稀后,超级电容的能量密度将大幅提升,但仍远低于锂电,完美实验下(13年)超级电容能量密度为74wh/kg,而tesla所用电池能量密度近200wh/kg;另据麻省理工JoelSchindall预测,即使乐观假设,未来几年其工业化量产的储能能力最终也仅能达到电池的25%左右。2)超级电容工业化应用路途漫长。如AndreGEIM教授(因研制石墨烯材料获得2010年物理诺奖)所言,大功率超级电容器生产制造工艺复杂,还需继续探索经济合理的规模化生产工艺,并克服产品质量控制、工艺磨合等工业化进程中的阻碍。

  锂电也处于技术自我突破期,引入石墨烯材料亦有望提升电池性能。近十年来,工业应用的锂电能量密度已由100wh/kg提升至近200wh/kg,目前,除去尝试新的正负极材料、在隔膜与负极材料方面引入涂覆工艺、纳米技术等手段外,提高充电电压提升能量密度亦取得突破进展(如电压提高到5V左右,则以Li2MnO3-LiMO2为正极的锂电池比容量可望超过250mAh/g);而此次旗舰项目旨在加速石墨烯材料商业化进程,石墨烯提升能源转化和储存效率的用于促进电池、电容及太阳能转化效率提高等各方面的研究,电池亦有望从中受益,锂电性能的提升仍有较大空间。

  广阔天地,并行不悖:作为能源系统的一部分,能量存储环节亦关乎人们的生命财产安全,对其技术路径的选择需要全面和系统的考量,除物理性能之外,配套系统完善程度、安全性、经济性均是重点考虑因素;以新能源汽车为例,动力系统需要能量存储、转化和控制三大环节的协同,不同的储能方式需匹配相应的动力转化和控制系统,以及基础配套设施(如充电桩等)。因此,技术路径之争并非完全取决于电池和电容某一性能的暂时提升,而是其各自配套系统共同演进、提升性价比的较量;同时,电容和锂电池性能方面互补,配合使用带来能量密度及功率密度双重提升,或是概率较大的一种演进路径。我们认为,随互联网的应用、智能时代的到来,对能源、储能的需求将几何级数增长,储能技术市场空间广阔,且由于其性能考量的侧重点不同,锂电池、电容,甚至电池配套电容等更多技术路径均将获取各自适合的发展空间。

  持续看好锂精矿-碳酸锂-锂电产业链:锂电池通过技术与性能的不断突破、规模化带来成本快速下降,其性价比已日益提升,同时伴随相关材料、配套系统的逐步完善,已具有极大的竞争优势,其在电动车领域与储能市场均前景广泛。

  风险提示:新能源汽车推广不及预期;新储能技术手段出现对行业的颠覆。

责任编辑:Mandy
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