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2020-03-20
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中国汽车报网
随着特斯拉在电池领域的动作频频，超级电容技术受到了广泛关注。近日，特斯拉收购Maxwell，称将自主研发“干法电极电池技术＋超级电容”组合。几乎同时业内传出消息，特斯拉正在与宁德时代商讨在中国工厂使用不含钴元素的电池。
特斯拉的举动有点出人意料，事实上，超级电容的研发早已有之，但多应用在商用车上，在乘用车领域刚开始受到重视。超级电容的优势在哪里？特斯拉的新技术能否拓宽应用领域？《中国汽车报》记者采访多位业内专家了解到，特斯拉在旗下车型上不但采用超级电容技术，还要把超级电容技术引入到锂电池生产之中。
■超级电容的优势与短板并存
“超级电容的应用范围很广。”超级电容产业联盟秘书长高波告诉《中国汽车报》记者。据了解，目前超级电容在汽车、轨道交通、工业AGV、电网及电力设备、仪器仪表和传感器、数码电子、智能家电、电动工具、通讯设备、工程机械、船舶、航天军工等领域都已经广泛应用。“广泛的应用带来了超级电容的高速增长。”高波说。
超级电容具备静电场储能特性，有高安全、循环寿命长、可以数百C充放电的优势。近年来，石墨烯等新材料技术及混合储能机理的发展，促进超级电容的能量密度不断提高。超级电容产业联盟理事长、中车新能源总经理陈胜军说：“在很多领域，超级电容已经开始替代电池。”
当下，超级电容在商用车上应用较多。据介绍，在商用车领域，目前超级电容的主流产品双电层电容器，可在-40℃～70℃的环境下使用，最新开发的产品已通过80℃的测试条件，更重要的是，超级电容无热失控反应，具有锂离子电池无可比拟的安全性和可靠性。
《中国汽车报》记者在以往的采访中了解到，超级电容的能量密度比较低，消费者对续驶里程有较高的要求，导致乘用车极少装配超级电容。陈胜军告诉记者：“混合型超级电容器的能量密度达到80～100Wh/kg，与镍氢电池相当，是铅酸蓄电池的2倍多，比锂离子电池低一些。超级电容与锂电池之间的特性可以用体育比赛来形容，锂电池是长跑运动员，超级电容是短跑冠军。不过，超级电容长寿命、安全可靠性优点突出。”
除此外，超级电容还有很多优势，从资源利用角度来看，超级电容不受锂、钴、镍等贵金属资源限制。陈胜军告诉记者，超级电容的主要原材料是活性炭，这种物质主要来源于椰壳等自然界生物质通过活化制成，因此，超级电容的原材料具有可持续、可再生、绿色环保的特点。
■干法电极技术更具发展前景
据了解，制造超级电容有两种工艺，即湿法涂布和干法压膜制成电极，特斯拉选择的是其中的干法电极技术。陈胜军说：“干法工艺可以显著增加极片活性物质的负载量，从而有效提升储能器件能量密度。据特斯拉评估，该工艺如果应用于锂离子电池，在现有体系条件下可将锂离子电池能量密度提升10％～30％以上。”
特斯拉此次收购的Maxwell公司是全球著名的超级电容企业之一，特斯拉看中的正是Maxwell的干法电极技术。宝晟（苏州）能源科技有限公司总经理郜明文告诉《中国汽车报》记者，Maxwell的干法电极技术可以归结为“原纤维化（Fibrilization）”。
郜明文举了一个例子来形象地解释“原纤维化”。“一位步行者在炎热的天气下走路，鞋底不小心黏到了口香糖，继续向前迈步，就会使黏到鞋底的口香糖‘纤维化’。”郜明文说，Maxwell的干电极工艺通过把混入活跃的负极或正极材料颗粒的PTFE（聚四氟乙烯）原纤维化，形成负极或正极材料的自支撑膜（self supporting film）。
对于这项工艺的工作原理，郜明文举了一个更为形象的例子：在一个装满高尔夫球和口香糖的大水箱中，水箱底部有一个窄口的二维漏斗。当高尔夫球通过槽口和口香糖一起进入水箱底部时，高尔夫球之间相互推动、滑动和滚动，偶尔会有一些口香糖被挤压。随着高尔夫球继续重新排列穿过狭槽，高尔夫球最终与口香糖的原纤维连在一起。“原纤维化后的负极和正极材料的薄膜层压到金属箔集电体上制备负极和正极，正极和负极之间用隔膜卷绕制成电池的卷。”郜明文说。
相比于传统锂电池生产方法，使用干电极技术有诸多的好处。如传统的锂电池制造需要使用有机溶剂，比如NMP（N-Methyl-2-pyrrolidone），但溶剂有毒，必须小心回收，进行纯化和再利用。另外，把溶剂与电极活性材料混合形成浆料后，涂在电极集流体上，需要对电极涂覆机进行精密控制，否则很难保证一致性。郜明文告诉记者：“干电极技术不使用溶剂，由此带来一系列的好处。”
优势不止这些。记者之前参观锂电池生产线时也注意到，涂覆之后的集流体还需要经过干燥、辊压等工序才能进入下一个环节。郜明文告诉记者，传统湿法电极干燥、辊压后存在表面活性物质掉渣现象，在机械外力作用下或者循环过程中，表面活性物质也有可能与集流体脱落。而干法电极自身独立成膜，电极膜本身具有一定的机械强度，不会出现脱落掉渣的现象，集流体与活性物质紧密结合在一起，电化学循环性能更优异。
此外，在锂电池中，锂是动力电池中的重要元素，预锂化是一道重要流程。传统湿法工艺需要使用大量的有机溶剂，很难实现预锂化。干法技术在整个制备过程中没有溶剂参与，因此，在原材料混合阶段就可以添加金属锂。“预锂化对于提高动力电池的能量密度和循环使用寿命有着重要意义。”郜明文说。
干法技术不仅带来锂电池性能提升，还能大幅度降低成本。与传统工艺相比，干法技术省却了涂覆过程中的溶剂添加、干燥蒸发、二次辊压等工序，成本自然大幅度降低，另外，电极切条分边后，未参与集流体涂覆的材料仍然可以再次辊压利用，而传统湿法不能如此重复利用。
■干法技术应用于锂电池仍有难度
在特斯拉的计划中，不仅布局超级电容技术，还打算将超级电容干法技术引入到锂电池生产之中。这是否行得通？郜明文告诉记者：“Maxwell干法电极制备成膜工艺流程专利已经很明确，超级电容不是锂电池，干法技术运用于锂电池生产还有几个难点需要克服。”
在生产过程中，流水线必须将PTFE（聚四氟乙烯）纤维化，使活性物质与纤维化的PTFE（聚四氟乙烯）形成网络交联结构，这是成膜前预处理的难点之一。在连续的挤出辊压过程中，预处理后的活性材料仍然是粉体材料，使粉体材料能够形成均匀一致的片状材料，是整个工艺流程中的一大难点。
郜明文强调，成型的片状材料必须具有高机械强度，只有这样才能保证整个工艺流程的连续生产，片状材料还必须表面光亮，这样才能保证均匀性、一致性较好。根据实际需要，片状材料的厚度可以在50μm到500μm之间进行辊压调节。
郜明文介绍：“干法电极技术并不是Maxwell新研发的技术，在超级电容领域已有较长时间的应用，不过，Maxwell运用这项技术生产的超级电容一致性较好。近年来，该技术因可以应用于锂电池生产而受到人们的重视。”
在超级电容核心技术研发上，我国也已逐步赶上国际水平。据陈胜军介绍，国内企业已占据中国超级电容市场70％以上的份额。记者也从多个渠道了解到，国内已有锂电池企业研发干法技术用于锂电池生产。
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