中科院研发超级电容新材料 能带动电动车产业吗？

    日前，新华社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《science》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「新一代超级电容 几分钟充满可跑 500 公里」，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？知乎上一名同学就此次新材料所作的回答或值得思考。下文摘自知乎答主：清华大学能源互联网创新研究院副研究员, 刘冠伟博士 (知乎 ID 弗雷刘)。

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。