急充放电电容器(巨电容器——颠覆锂电王朝的技术来了？)

Posted 2023-05-26

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急充放电电容器(巨电容器——颠覆锂电王朝的技术来了？)

上世纪70年代石油危机催生的锂电池技术，被视为最伟大的工业发明之一。锂电池作为当今最主要的便携式能源，影响着人们生活的方方面面，改变了人类的生活方式。如果没有锂电池，就不会有如今的便携或穿戴式设备、手机、电动汽车、无人旋翼机等等。古迪纳夫（John. B. Goodenough）等三位教授，也因就锂电池的发明做出了奠基性贡献而荣获 2019 年诺贝尔化学奖。

然而锂电池并非完美。安全隐患、能量密度及充放电速率（功率密度）依然偏低、寿命偏短等，是锂电池的重大痛点。如现代主流锂电池的能量密度接近 300Wh/kg，而汽油的能量密度约 13000 Wh/kg，是锂电池的 40 多倍，且充电比加油的时间又长很多，使电动汽车在续航里程、便利性等方面较燃油汽车仍有不少差距。因此下一代电能存储器件的开发成为业界竞争的焦点，是否会有一种能使安全性、寿命、能量密度、功率密度等性能全面提升的产品？超级电容器作为潜在技术路线之一，曾被寄予厚望。美国《探索》杂志 2007 年 1 月号刊，将其列为当时世界七大技术发现之一，认为这将是电能储存领域的一项革命性发展。

典型电容器具有两导电极板间夹一层介电质材料的三明治结构，与电池的电化学工作原理不同，它是静电物理储能器件。当在两极板间施加电压充电时，其中一个的表面会积聚正电荷，另一个相应积聚起负电荷。与电池类似，电容器经外部电路的负载连接两极板就会产生电流放电。电容器不仅寿命长且功率密度极高，能以比锂电池大得多的电流快速充放电。其能量密度 D 正比于极板间电压的平方 V² 和介电质材料的相对介电常数 k，即 D∝kV²。因安全性等各种因素制约电压一般不可太高，能量密度实际上主要取决于介电质材料的 k 值。现有“高k”材料的k值在几百到几千（即×10²~10³），能量密度最高仅为锂电池的1%左右，这是其重大缺点。而所谓超级电容器，则利用具有超高等效 k 值的先进介电质或电解质形成双电层电容，甚至把电化学性质的“赝电容”也加持进去，等效 k 值可高达几万乃至几十万（×10⁴~10⁵），能量密度最高可为锂电池的几分之一乃至相当。但可惜，人们至今尚未见到超级电容器对锂电池的颠覆性前景。

笔者近期从国家专利局网站了解到，一项名为《复相钛酸铷功能陶瓷材料及其制备方法》的授权中国发明专利，披露了一类新型巨介电质新材料以及基于其的巨电容技术，让人看到了电容器储能应用的新曙光。该专利发明了一类包含被称为 n-钛酸铷（Rb₂Tiₙ O₂ₙ₊₁）的复相钛酸铷功能陶瓷材料，在电学及电化学等方面具有远超现有技术水平的不寻常特性，如常温下高达 10⁹级的巨大 k 值伴随着相对低的介电损耗，以及优良的绝缘性伴随着 10ˉ³S/cm 级的离子电导率等。该类新材料为高能量密度的巨电容器提供了巨介电质解决方案，此外在全固态电池的固态电解质、记忆存储单元、电子器件等领域也有着巨大的应用潜力。

该类巨介电质材料的相对介电常数即 k 值，是现有先进水平介电质材料的几万到几十万倍，按电容器能量密度 D∝kV²的关系，意味着采用该类巨介电质的巨电容器，理论上的能量密度也会提高同样的倍数，即达到现有锂电池的成百上千倍！若巨电容器还沿袭了物理储能电容器寿命长（为锂电池的百~千倍）、充放电速率高（为锂电池的十~千倍）、全固态及结构简单等优点，综合起来，其性能或性价比岂不将远超锂电池？颠覆锂电王朝的技术真的来了吗？

带着疑问和好奇心，笔者通过一些渠道尝试对该新技术做了进一步打探。

首先，利用该专利技术制备的新型固态功能材料样品，以及采用该材料制备的一些纽扣式巨电容器样品，早已送样至某国家级第三方权威检测机构进行了专业检测，该机构所出具的正式检测报告表明，样品的比电容量巨大，材料的介电常数即 k 值，在室温下确实达到了 10⁹级的国际领先水平。

此外信息来源还表明，该类巨介电质材料及巨电容器的研发工作在进一步快速推进，旨在于十四五期间实现产业化。目前的工作已初具如下特征：

① 体积和重量能量密度：器件样品实测值现已达锂电池的 5~10 倍或更高；

② 充放电速率：为正常电容级，即充满、放完时间均可做到以秒或分钟计；

③ 循环寿命：为正常电容级，充放电循环以万次计，确保使用寿命≥10 年；

④ 温度特性：适用温度范围宽广，为-50℃～+120℃；

⑤ 安全性：全固态器件，不存在易燃易爆物质；

⑥ 环保性：无污染；

⑦ 经济性：器件成本可控，不高于锂电池。

结语：

在下一代电能存储器件及系统开发方面，不仅有 LG，三星，宁德时代这样的电池企业，丰田、特斯拉、比亚迪这样的整车企业，还有各种跨行业、高科技、初创及投资类的公司纷纷加码进来。锂电池从上世纪 70 年代到今天，一路上也曾克服过很多技术和其他方面的挑战。而今，各种技术路线百家争鸣，可以预计它们的产业化路径不都会一帆风顺。未来的储能器世界，谁能颠覆锂电王朝？或许答案尚未明了，但基于巨介电质的巨电容器展现出的优异性能，让人似乎感受到了一种脱颖而出的巨大动能。