来源：倍可亲(backchina.com)
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。
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7000—8000只钴酸锂电池串联作为动力的特斯拉电动车深受其害，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：
10月18日，特斯拉Model S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Model S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Model S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Model S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石墨烯，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，该新材料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新材料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石墨烯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。如果该电动车使用新技术，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。
