第512期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《超级电容器》
讲座题目：透视新科技——超级电容器
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：陈成猛，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员。
陈 征，北京交通大学副教授。
讲座时间：2023年11月27日～12月3日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——超级电容器
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。最近科研人员正在致力研究一种新型电容器，用它做动力的公交车，可以利用乘客上下车的间隙，仅用一分钟的时间就可以充满，并且续航的里程可以达到10到15千米。什么样的电容器这么厉害，它是怎么做到的？我们先通过短片去了解一下。一辆看似普通的公交车，在停靠站时，利用乘客上下车的时间，便可以对车辆进行快速充电，丝毫不耽误后续的启程。这种公交车是一种新能源超级电容公交车，早在2016年，由中国研发制造的超级电容公交车就已经走出国门，行驶在了奥地利的街头。2020年，上海市也新增了89辆超级电容公交车，覆盖了中心城区的五条主要线路，为这些公交车提供动力的是一种新型电力能源装置，超级电容器。那么超级电容器与传统的电池存在哪些区别？它又将为我们的生活带来哪些改变呢？我们给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，第一位，是中国科学院山西煤炭化学研究所的研究员陈成猛，接下来一位是我们的老朋友了，北京交通大学的副教授陈征。刚才我们通过短片，我们又认识了一个新的概念，就是电容器。两位也给我们更生动地解释一下，什么是电容器？
所谓的电容器，顾名思义，它就是一个储存电荷的容器。我手里的这个，就是人类历史上最早的储存电荷容器的一个装置，它有个名字叫莱顿瓶。这是1745年，在荷兰的莱顿大学，有一个物理老师，他叫马森布鲁克，他发明了这样一个瓶子。这个结构非常简单，就是一个玻璃瓶，外边是包了一层金属箔，然后内壁也有一层金属箔，这样两层金属之间加一层绝缘体，就形成了一个电容器。它就可以用来存储电荷，那当我们有了这个装置以后，我们就可以把摩擦产生的电荷存起来，我们就可以进一步研究电荷的什么性质，这才为我们后来电器时代的到来奠定了基础。其实我们普通人生活当中，说这个储电的东西，可能我们接触最多的还是电池。那这个电容器跟电池之间的差别是什么呢？电容器并不涉及到能量的转化，就是电荷直接存储，而对于电池来讲，它是一种能量的转换装置，就是我在储存电的时候，我是把这个电能转化成化学能。当我需要用电的时候，再把这种化学能再重新转化为电能再释放出来。
我想把陈老师刚才的这个解释打个比方，这是一个储电的电容，它和电池的区别在哪呢？你把它想象成一个存钱罐，电容器存电就像我们的存钱罐，我就把一个硬币，一个硬币这样放进去，这里边存的还是钱，然后，这个钱我拿出来就能用。而电池呢，是我们把我们兜里的钱，把它买成股票，买成期货，买成房产，变成其他的形式，然后等我要用的时候，我需要再把它重新变回现金来才能使用，这个其实就是电容和电池的区别。我们首先是了解了电容器的这个概念，我们要探讨的话题是超级电容器，这个超级我们该怎么理解？我们可以举一个例子，比如我手里面拿到的这两个就是，一个是普通的电容器，一个就是超级电容器，其实这个超级可以这么理解，你看我左手拿这个普通的电容器，它还比这个（超级电容器）要大一点，对不对？但事实上，这个超级电容器里面储存的电量是它的4万倍，更小的体积可以储存更多的电量，这就是它超级的源泉。这意味着什么呢？假如一个电容器里边装的这个电能，够我们比如说一个发光二极管点一分钟。那我们用这个超级电容，就可以让四万个发光二极管点一分钟，或者让一个发光二极管点四万分钟，就是这个概念。这个四万倍的概念，确实配得上超级这个称号。有了今天这个超级电容器，我们就想那过去传统意义上的电容器跟它对比起来，缺陷是什么？
传统的电容器它的优点在于，它盛电很方便，因为没有任何的转化过程。但是缺点就是存得非常少，比如说像这样一个瓶子，你看它这么大个，它存的电还点不亮一个发光二极管，它存的电（量）非常小（少），这就导致我们原来的这个，传统的电容器只是用在一些比较需要，速度比较快，但是对这个总量要求不高的地方，我们会用电容器。这个（储电）能力就比较弱，做超级电容（器）就可以保持它充放电快的这个特征。然后把容量再做大，这个时候它的优势就会表现出来。针对这个话题，我们来看一看我们记者编辑的短片。相对超级电容器来说，传统电容器存储电荷的量十分有限，超级电容器的容量被称为“法拉”，而传统电容器的容量被称为“毫法”。1法拉等于1000毫法，由此可见，传统电容器的存储容量很小。在各类电器中，传统电容器也更多用于提升电路高效平滑的直流输出。并不是大容量储存电荷，这导致电容器在存储电荷的领域并没有用武之地，直到超级电容器的出现。那么，超级电容器到底有哪些优势？又是靠什么突破存储能力的呢？超级电容器，它的科技创新都体现在哪些方面？
最关键的一个就是，在一个有限的重量或体积里面去尽量地增加它储存电荷的这个表面积，其实电容器就是利用这个导体表面来储能的一种装置。所以，如果我们要在相同的体积下去储存更多电荷的话，我们就需要增加它这个储能的面积。我还补充一下，陈老师刚才说的这件事，电在存储过程中有一个非常有意思的，奇怪的特性就是它只在表面上。比如说我这个金属箔，这个金属箔0.1毫米，它其实也只用表面那么一点，10毫米它其实也只分布在最表面的一点点。那这个时候，就是你的体积可能很大，但是更多的更多的这个金属实际上是没用上的，因为它只用表面那一点点，要扩大电容的这个储电能力，那需要做的就是把表面增加就可以了。这靠什么，靠材料吗？对，靠的就是一种材料。像我这里面拿到了是一种超级电容器的这个电极片，这里面其实它是一个电子的铝箔，也是铝箔，但它表面涂了一层多孔的碳材料。这种碳材料一克的表面积，能够达到2000平方米。这时候无形中就是我可以大大地增加它的表面积，这时候我把它封装在同样的一个器件里面的话，就可以让它的储存的电量，能够提升几个数量级。最关键的一个就是核心的，就是这里面的这种多孔的碳材料，把这个材料做成一个纳米，就是多孔的这种纳米结构的一种材料，而且因为我们是要把它用在电子的产品里面，所以对这个材料的要求就比较高。
刚才您提到了一个词叫多孔碳，多孔碳跟我们平时理解的这个碳有什么不一样？其实我们这个超级电容器里面，用到的这种多孔碳，就是一种特制的活性炭，活性炭您可能都听说过。现实生活当中比较常见。对，像我们那个污水处理，包括我们现在生活里面的那种净水器里面，都要用到这种活性炭，还有一个就是我们在新装修的房子里面会加一点活性炭。空气过滤。对，去吸附一些有毒的甲醛这种气体，但是超级电容器用的这种多孔碳是特制的，因为它有更高的指标要求。首先作为导电的电极材料，它要储电的话，本身它的导电性要非常好，它做电极用，电子要在这个多孔碳里面，要能够非常顺畅地去传输。第二点，就是说它要有很高的比表面积。比表面（积）就是说，我单位的重量里面，它的表面积要比我们现在生活中用的这种活性炭要大得多，一般我们用的那种可能是一克就是300到500平方米，但是我们现在做的这个超级电容器用的这种特制的，这种多孔碳要达到2000平方米，甚至更高。另外还有一点，就是循环过程中它整个这个结构要非常稳定，那就要求这种（多孔）碳要非常纯，基本上是没有任何的灰分，没有任何的杂质金属的。所以的话，这其实是一种电子级的碳材料。针对这个话题，我们来看一看我们记者编辑的短片。
多孔碳被放大后就像一块海绵，它密密麻麻的孔洞，大大增加了单位体积下海绵的装水空间。如果把这些孔洞内的表面展开，显然要比海绵的外表面积大得多。海绵的孔洞就如同多孔碳的孔隙，在同样的体积下，最大程度的增加了外表面积，自然储存电荷的能力也增加了几个数量级。刚才两位都谈到了这个超级电容器材料上的创新，除此之外还有哪些优势能够体现出来？就是从我做物理（研究）的角度来看，就是充放电快，这是最重要的优势。比如说我们今天的用电池作为电源的，作为能源的这些用电器都面临一个问题。比如说我们的电动汽车电用完了，可能要充半小时，这还是在快充的情况下，半小时才能充到70%、80%。当我们使用超级电容的时候，它的充电速度就会变得很快，那意味着什么呢？比如说像公交车这样的，它的路线比较固定的，而且是一定要停站的这些车辆，如果我们用超级电容作为电源的话，我在停站的这一分钟之内就完成充电，那这样的话它就几乎可以完全不用。比如说停半小时、停一小时的这种这种时间去完成充电，那表面看起来这个电动车几乎就是无限续航行（驶），这就是一个应用得很明显的场景。另外，就是我们刚才提到过的用化学电池，我们当需要功率大的时候，储能多的时候，我就需要这个化学材料，它的反应比较活泼，反应活泼的结果就是它同时会带来一个矛盾，它比较容易燃烧，比较容易爆炸这样的事情。比如说撞击，比如说这个高温，就会出现危险，但是电容器，因为不涉及化学的过程，它是一个纯粹的物理过程，电荷在导体上重新的分布一次而已，那这个时候它的稳定性，它的安全性就可以提高很多。
还有一个优势，就是超级电容器比电池来讲，它的循环寿命要高很多。怎么理解？像我们锂离子电池，一般的寿命在2000次左右，你会发现你这个手机，我们用上一年到两年的时候，就会发现它那个（电量）衰减得很快，这个（电池）容量，不如以前那么耐用了。对于超级电容器来讲，它是可以长长循环的，因为这里面它是一个物理的器件，所以里面所有的结构都是非常稳定的，这样的话它就可以连续使用50万次，甚至到100万次。所以从整个生命周期来看，大概超级电容器是锂离子电池的高一个数量级，就是10倍。从这个角度来讲，这种超级电容器基本上可以做到免维护，可能我们做一（辆）电动汽车，锂离子电池通常用到3年到5年的时候，我们可能就要换电池了，但是对于超级电容器来讲，可能我整个车的寿命10年已经到报废了，但是我这个超级电容器还可以拆出来。我听两位介绍这个超级电容器的过程当中，我就一直在想，这个东西跟我们普通人的生活是什么样的关系？是否它可以取代我们过去的电池装置？
目前来看还比较困难，因为毕竟它这个储能的原理是不一样的。因为这个超级电容器，它是储存的电量和（普通）电容器相比是吧，同样的体积。刚才说到了可以高4万倍，但对于和一个电池相比的话，目前的水平超级电容，同样体积的一个超级电容器，和（锂）离子电池相比的话，它储存的电量可能只有它的十分之一到二十分之一。怎么还不如锂电池呢？那我们为什么还要研究它？两位给我们说一说。锂电池特点是我的储能量总量可以做的比较大，但是我的充放电时间比较慢，然后充放电的电流也比较小。而这个超级电容器它的特点是，虽然我的总量还没有那么大，但是我的充放电时间可以很快，我可以充放电次数很多，然后我的这个放电的这个电流也可以很大。那这样的话，就可以把这两种东西结合起来，然后我需要快速地（充放电），需要大电流的时候，由电容器来完成。那么后边一个大蓄水池，前面有一个缓冲的这么一个超级电容器的话，那他们两个就可以完成一个良好的互补的方式。我就是用这个锂电池来和超级电容器相连，平常我就锂电池慢慢悠悠的给这个超级电容器充电，然后等到急用的时候，超级电容器就一下“啪”一把把这个电放出去。
对，就是说我们如果要追求一个长的续航里程，或者是像我们的手机，可以也是（追求）一个长的使用时间的话，所以我认为，目前超级电容器更适合和锂离子电池去配合起来去使用，充分发挥它们之间的优势。比如说我们用在电动汽车里面，其实它俩可以很互补的，锂离子电池来储存能量。但用超级电容器，在这个汽车加速的时候，作为加速电源它有很好的爆发力，放电速度快。另外在我下坡的时候，可以去回收一部分这种制动的能量，也能够提高我们整个汽车的这个使用的这种驾乘的感受。不妨用对比的方式来比较一下，一个是超级电容器，一个是锂电池，这两个它各自的优势在哪里？它各自的缺陷又在哪里？两者各有各特点，就是超级电容，它更像一个爆发类型的短跑选手，它可以跑得很快，但是它没有办法跑得很长。而这个锂电池，它比较像长跑选手，就是它跑的并不快，但是它可以跑得很久。基本上锂离子电池的优点，就是超级电容器的缺点，而超级电容器的优点，就是锂离子电池的缺点，它俩是高度互补的。真正使用电能的时候，我们既需要能量，很高的一个能量密度，同时我们还需要一个高的功率。所以从这个角度来讲，它俩是可以很好地融合在一个系统里面的。我们来看一看我们记者编辑的短片。
中国是世界第二大能源消费国，发展新能源产业是我国解决能源环境问题的重要举措，但目前新能源产业还存在着一些弊端，不管是风能、潮汐能，还是太阳能，都会受到环境变化的影响。比如风会时大时小，太阳会被云层遮挡，这些现象将导致回收的电流出现不可控制的波动。这种波动较大，且无法直接利用的电流，被称为“垃圾电”。如果“垃圾电”直接接入电网，会对电网带来很大的冲击甚至破坏。但是如果利用超级电容器快充快放的性能，就能有效平息“垃圾电”带来的波动，这不仅能让“垃圾电”再次被利用，更能大幅提升新能源的发电效率，让目前新能源发电面临的问题得到改善。我们说到任何一个我们研发的一个新的科技产品的时候，我们都会担心一个它的安全性和它的环保问题。超级电容器对于环保来说，我们怎么去理解它呢？超级电容器是这样的，因为它里面主要的储能的材料就是碳材料，碳材料在我们地球上的（含量）是非常丰富的，基本上我们所有的动物植物，我们的煤炭石油都是一种含碳的资源，所以这个元素是比较丰富，可获得性比较好。
第二，它也比较安全，而对于这个锂离子电池或者其他的二次电池来讲，比如说锂离子电池，我用到的是这种锂元素。这在地球里面的这个含量，地壳里面的含量是非常有限的，是一种非常稀缺的一种矿产资源。而且当这个电池报废了以后，如果我们不回收的话，它也会对环境造成污染。像一般的这种电池，包括我们的现在汽车那个电瓶，用的这种那叫铅酸电池，铅是一种重金属，它对这个土壤、对人体的这种危害性，对食物的这种生物毒性都是很大的。所以这就是我们这个超级电容器的一个非常优势的一个地方，它是一种比较环保的一种器件。听您刚才说到安全性的问题，您又说到的这个超级电容器，它的爆发力那么强，这个安全性怎么保障？是这样的，超级电容的爆发力强，是来自于它储的电对外产生的能量，它本身是物质的，所以它在比如说遭到碰撞，遭到高温什么的，它并没有那么明显的化学变化。所以它不会有额外的能量进来，就是它能放出来的能量只有它存进去的那些。而我们现在的化学电池，一旦发生燃烧的时候，那可就不是你存进的那些电的能量了。化学材料的反应。
对，那个材料本身燃烧的那个能量。我们打个比方说，就是比如说我把一桶水，从一楼举到五楼，把这桶水再倒下来，它对地面有一个冲击力，那全部来自于它物理上的这个能量。但是如果我是把一桶火药从一楼搬到五楼，然后把它扔到地上，扔到地上它可就不只是那个从五楼掉下来的冲击力了，它爆炸的时候那个化学能就会释放出来。你像我们用的这个锂离子电池，里面用的是锂的金属。锂是一种非常活泼的金属，当它在暴露在空气里面，或者暴露在水里面的时候，它都会发生剧烈的化学反应。但是对于我们的超级电容器来讲，里面都是纯碳，这里面就是碳材料，碳是很稳定的，并没有这些活泼的这种金属存在，它不会释放额外的这种燃烧的化学能，它只是说这些电（储存）在里面，这是为什么它很安全。我们特别想知道，您所说的这种超级电容器，在我们的生活领域当中有实际应用吗？目前是有的，而且有很多很成熟的应用场景，比如说我们刚才提到的那个电动的公交车。我们也叫储能公交，包括在宁波、上海、广州、武汉都有示范的线路在跑，还是很漂亮的，而且确实是很有未来的这种科技感。还有一个应用领域，就是在这个电网里面，我们知道现在我们有光电、光伏，还有风力发电越来越多，这种新能源的接入量，或在这个整个能源体系里面的量越来越大的时候，有一个问题就是这些能源它是不稳定的，它是有波动的，不像我们那种火力发电，可以平稳地去输出这种能量。
这时候我们怎么样去消纳这些不稳定的可再生能源，所以就用超级电容器，作为削峰填谷去平抑这个波动。先把它收起来，超级电容器把它收起来，然后再释放出来，是这个概念吗？对，就相当于一个缓冲器，如果要并网的话，我必须要把它拉平，最后超级电容器就利用它的这种很高的功率，可以瞬间把电流去接住，（把）不稳定的电量接住。同时以一个很平缓的这种电量，再把它输送给电网，这时候就能够让我们的这个新能源，真正能够走进千家万户。我们也做过一些设想，用这种电容器可以尽可能地让它的储能，达到一般电池的水平。但是因为它的充电非常快，这样的话我们依然可以非常方便的应用，就是我们到处都有一个小的这个充电的，比如说接口也好，或者无线充电的装置也好，我在上面放10秒钟就可以拿走了，那这样的话，我们的手机也就几乎无限续航了。这件事其实距离不算太远了，现在就是小型化的问题了。我们通过短片来看一下。
因为技术还不够成熟，因此在现阶段，超级电容器还不能直接应用于民用小轿车和电子移动设备，但是在一些特定的场合里，比如公交、有轨电车、电力系统以及可再生能源领域，超级电容器已经被投入到应用当中。或许在未来，当科学家攻克超级电容器存电量不足的问题之后，实现无限续航便真的离我们的生活不远了，而超级电容器也将成为真正的新型储能系统。假如说有一天解决了超级电容器的一些局限性和技术问题，可能成为（锂）电池的替代产品吗？这种通过系统的设计是可以实现的，一个是我们在这个超级电容器上要下功夫，就是说现在其实已经出现了一种叫电容型的电池，事实上是把超级电容器和锂离子电池的材料，同时用在一个储能的器件里面，这时候它就可以兼具这个超级电容器的这种快充、快放、长循环的能力。同时，它又具备了锂离子电池的相对比较高的一个储电量，现在已经有了。您研究了这么久的超级电容器，您觉得您未来研究的这个发展方向，超级电容器有一天到底能够做什么样的事情？真的可以取代锂电池，它的这种功率和效果，甚至让我们的手机无限续航吗？
目前来看，这个方向是可以行得通的。首先，我们需要更好的材料，就是现在的材料还不是最理想的，就是我们虽然已经有了这个多孔碳。这个多孔碳也需要再迭代、再升级，这时候我们就需要单位的重量里面能够储存更多的电荷。比如说我们用到的碳气凝胶，用到了石墨烯、碳纳米管，这种新型的这个碳材料，都可以让我们的这个超级电容器的性能更好。另外还有一点，我认为其实超级电容器和锂离子电池或者是二次电池的这种边界也越来越模糊了，就是说我们可以在同一个器件里面，同时让它展示锂离子电池的这种长续航能力。同时又具备超级电容器这种高功率、充放电，以及这种长循环的这种能力。就是说我们叫电容型的电池，这样的话我们都可以实现更好的性能，根据这个用户的需求来匹配相应的器件。除了在手机这个电池续航方面，还有在其他的领域有哪些更大胆的这种畅想？比如说在这个电动汽车领域，我们如果在市里面开的话，你会发现我们都有红绿灯，在红绿灯那个停车线之前那个地方，可以加一个无线充电装置。如果我们超级电容器的汽车，到那个地方踩一脚刹车就充电。你等红绿灯的时候，充一下电，超级电容器就可以很快地充电，这样事实上就把这种短跑冠军变成了一个频繁的短跑冠军，其实也就是一个长跑冠军。对，这也适合我们未来智能城市发展的这个需求。对，对，对。
这个场景其实我觉得是完全可以憧憬的，当然未来可能在材料和工艺上还有很多可做的。比如说我们刚才说了电容，它的储电就只在表面的一层，在底下的这些材料其实都是浪费掉的。那么假如我们可以把材料做到只有一层，那这个时候，我的所有的材料都可以拿来储电，它的储电效果就高很多。那这个其实就是我们这些年比较关注的，像刚才陈老师说的石墨烯材料，这样的话它的能量密度理论上讲就有可能达到，我们今天锂电池的这个水平。两位又给我们一个美好的想象的空间，科技确实能够改变未来。感谢两位来到我们的演播室，跟我们共同聊这样一个超级电容器的话题，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目。如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频。今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
