高压物理电容或将是未来纯电动汽车主力电源

高压物理电容或将是未来纯电动汽车主力电源常州工学院08化Y2班周于骅常州工学院理学院覃荣森摘要：电池、电机、电控是电动汽车有三大核心技术，其中电池技术是核心中的核心，也是纯电动车发展的瓶颈。

目前车用电源主要使用铅蓄电池、氢电或锂电，其中磷酸铁锂电池是当前各高校、研究所和企业研究的热点，笔者从自身专业的角度，对现有主力化学电源和双极性超级电容进行了探讨，认为所有化学电源和双极性超级电容从原理上都不能胜任纯电动汽车的主力电源，进而提出了高压物理电容或将是未来纯电动汽车主力电源这一全新观点。

关键字：高压物理电容我国已经超过美国成为全球最大的石油消费国，面对石油的日益枯竭，油价的不断上涨，环保的压力与低碳呼声，寻找替代汽柴油作为车用动力源显得日益迫切。

纯电动汽车最适合我国缺少石油而内燃机技术水平不高的国情，最能减少城市空气污染和二氧化碳排放，且结构简单，使用、维修方便。

以电代油，即是减少温室气体排放，达到节能减排，实现低碳经济战略目标，也是对能源战略的考虑。

虽然纯电动汽车百公里用电费用远低于燃油费用，但购车费用远高于燃油车，还有价格不菲的更换电池的费用，阻碍了电动汽车的普及。

只有电源的寿命长于车的寿命，或者说电源是免维护的，且电动车购车费用+终身电费≤燃油车购置费用+终身油费，纯电动汽车才能得到普及与推广。

电池、电机、电控是电动汽车有三大核心技术，其中电池技术是核心中的核心，也是纯电动车发展的瓶颈。

本文主要介绍纯电动汽车主要采用的各类电池进行佐证推理出高压物理电池或将是未来纯电动车主力电源。

2011年暑期社会实践期间，我们车用动力电源小分队通过网络和实地考察对锂电池、铅蓄电池、镍氢电池、磷酸铁锂电池、燃料电池、超级电容进行了调研得出以下表的数据。

一、所有化学电源都不能成为纯电动汽车的主力电源电动汽车上时需要很多单体电池串联，相连的两个电池充电和放电时电流和充放电时间都一样，当电池组处于快充状态时会导致相邻的两个电池容量不同，快放时会导致电池内剩余电量存在差异，下次进行充电时，容量较小的或者剩余电量较多的电池必然先充满，这样由于另一个电池尚未充满，继续充电必然会导致先充满的电池过充，发热量剧增，从而损坏电池，严重的甚至发生爆炸。

2、所有化学电源寿命都太短：以目前使用的最多的磷酸铁锂电池为例，其理论上能充放1000～2000次，这是在实验室标准充电条件下的数据，快速充电时寿命大幅度下降。

上表中的循环寿命是在实验室标准条件下的，实际使用中的条例要恶劣得多，寿命要短得多。

3、所有化学电源电压都太低：化学电池电压是由电池内发生氧化还原的物质的性质决定的，要满足电动汽车对电池电压的要求就必须得将单体电池进行串联，由于个体存在差异，当单个电池先放完电，电池会发生反极性变化，充电时会导致个别单元损坏，从而将引起剩余单元加速损坏。

4、化学电池安全性存在问题：锂离子电池和磷酸铁锂电池都有一定的安全隐患，目前笔记本电脑配套的电池都不能随计算机发航空快件。

2011年4月11日发生在杭州的电动出租车自燃事件，和2012年5月26日发生在深圳的跑车碰撞蓝色电动出租车事件碰撞后电动出租车失控，尾部与右侧绿化带树木相撞，随即起火，造成出租车上3人当场死亡，更引发了民众对于电动汽车“安全性”的拷问。

中国电池网发表的“电动车发展勿忘过电池‘五关’”中也提出锂电池工作温度等方面的要求使纯电动汽车在极端条件下行驶存在引发事故的可能；现在的科学实验已经得出结论，深度充放电会导致电池性能受到严重破坏，减少电池的使用寿命，严重时就会引发爆炸等极端情况。

锂电池长时间使用，电池容量会下降、电阻会增加、电池耗损会加大，安全性将大不如从前，不仅难以为纯电动汽车提高充足的动力，发生事故的概率也会加大。

综合看当前市场上的锂电池，技术水平比较成熟的是单体电池，电动车用的锂电池组的技术水平千差万别，且整体水平偏低。

5、功率密度不足，加速性和爬坡性能能不好：这由两个原因造成的：一主要是电机功率太小，主要原因是电池容量不够，大部分电动车电机功率小于15千瓦，而最小的0.8升汽车QQ的功率是36千瓦，如果纯电动车也配这么大的电机是可以做得到的，难的是没有合适的电池进行配套。

二是功率密度不足，这是所有化学电源的通病，由工作原理决定的，导至“暴发力”不足。

6、“十二五”期末，动力锂离子电池的比能量争取达到200瓦时/千克，功率密度达到1.2千瓦/千克，电池组系统循环寿命达到2000次，电池成本达到1.5元/瓦时以下。

二、双极性超级电容也不能成为电动汽车的主力电源双极性电容巧妙的利用了廉价的活性碳大比表面积，利有限空间，取得极大的表面积，利用与水系或有机系电解质间的nm级距离，制成F（法拉）级电容，利用大电容可贮存电能的性质贮能，又称为电容电池或黄金电容。

由超级电容组成的动力电池，最大特点是可以快速充电，只要导线容量足够大，理论上可在瞬间完成充电，实践中可在几秒到几分钟完成充电；充放电理论上是物理过程，不发生化学变化，充放电过程中不发热，充放电效率高达95%以上，下坡和刹车时能量回收70%以上；功率密度大，可大电流放电而不损坏，使用超级电容的汽车起动性能好；使用寿命长，循还充放电超过万次性能不减。

双极性超级电容工作电压太低：一般在2.7V左右，工作电压一般控制在2V左右，升高电压易产生电解质电解气胀损坏，工作多只串联使用时须加均压电路，否则极易过压击穿。

要满足电动汽车对电池电压的要求就必须得将单体电容进行串联，由于个体存在差异，当单个电容先放完电，电容会发生反极性变化，充电时会导致个别单元损坏，从而将引起剩余单元加速损坏。

上海世博会期间，每逢下雨天，上海26路超级电容公交车便不会被使用，就是因其漏电大。

而且双极性超级电容的能量密度小，以上海26路超级电容公交车为例，超级电容组件重720Kg,充电1.5分钟充满，贮存电能4.8千瓦，可供75千瓦电机,行驶5Km。

三、镍碳超级电容也不能成为电动汽车的主力电源镍碳超级电容的优点是储电量大，由电能转化成化学能，再转化成电能释放出来，其比容量比传统电容高得多。

超级电容，在结构上实现了电池和传统电容的内并，实现了电池和电容的优点兼备。

但至今未公布其工作电压和电容量等相关参数，不得不让人质疑其可行性。

而且电池和电容的结合虽然其解决了电量的损失问题，但能量之间的不断转化，必然会导致能量损失。

综上所述，物理电池与化学电池相比有明显的优势，物理电池能够支持快充，整个充电过程不会放热，功率密度大，使用寿命长等化学电源不具备的优点。

但无论是化学电池还是物理电池都存在一个共性的问题：单体电压低。

如何解决物理电池单体电压低的问题成为当务之急。

四、高压超级物理电容或将成为电动汽车的主力电源超级电容器的工作原理基于两个过程，双电层过程和准法拉第过程。

(1)双电层过程双电层过程是建立在双电层理论基础之上的。

根据helmhotz模型，电极表面的静电荷从溶液中吸附离子，它们在电极／溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。

由于界面上存在位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，因而形成了双电层电容。

为形成稳定的双电层，必须采用不和电解液发生反应且导电性能良好的电极材料，还应施加直流电压，促使电极和电解液界面发生“极化”。

这是一种静电型能量储存方式，是一个物理过程，可以无限循环，但是容量小。

(2)准法拉第过程准法拉第过程是在发生了电荷传递的电化学变化过程中，h或一些金属(pb、bi、cu)在pt或au上发生单层欠电势沉积或多孔过渡金属氧化物(如ruo2、iro2)发生氧化还原反应时，其放电和充电过程有如下现象：①两极电位与电极上施加或释放的电荷几乎呈线性关系；②如果该系统电压随时间呈线性变化dv／dt=k，则产生恒定或几乎恒定的电流i=cdv／dt=ck。

准法拉第过程高度可逆，具有电容特征，但又和界面双电层电容形成过程不同，反应伴随有电荷的转移，进而实现电荷与能量的储存。

为了与双电层电容相区别，称这样得到的电容为法拉第准电容。

例如，以ruo2作电极，h2so4为溶液的超级电容器的电容主要取决于法拉第准电容。

法拉第准电容不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。

相同电极面积下，法拉第准电容可以是双电层电容量的10～100倍。

由此可以看出，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。

因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

物理电容最大的特点是可以快速充电，只要导线容量足够大，理论上可在瞬间完成充电，实践中可在几秒到几分钟完成充电；充放电理论上是物理过程，不发生化学变化，充放电过程中不发热，充放电效率高达95%以上，下坡和刹车时能量回收70%以上；功率密度大，可大电流放电而不损坏，使用超级电容的汽车起动性能好；使用寿命长，循还充放电超过万次性能不减。

1、2、如何提高电容的带电量可以从以下两个方面着手：1、提高电容容量，2、提高电压。

电容的容量与电极板面积成正比，与极板间距离成反比，与两极板材料介电常数成正比。

在极板面积一定条件下，提高介电常数和减少电极间离是提高电容容量的有效办法。

电容所带电量与电容量成正比，与电容工作电压的平方成正比。

提高电容工作电压是提高电量最有效的手段。

采用高电压可以解决物理电池单体电压低的问题，使其具备担当纯电动汽车主力电源的能力。

带电量的增高可以使纯电动汽车的行驶距离增加。

由于高压物理电池充电过程中只物理变化，没有化学反应。

所以充放循环寿命可以大于10000次远远超过纯电动汽车本身的寿命，终身免维护，过充过放无影响。

这样便能满足人们对纯电动汽车各类需求，纯电动汽车便能够得到广泛的普及。

所以高压物理电池或将是未来纯电动汽车的主力电源。

3、总结与展望高压物理电池具备了带点量高行驶距离长，充电快捷，整个充电过程不会放热，不存在安全隐患，功率密度大，使用寿命长等特点，这样就能解决纯电动汽车普及难的问题，所以笔者觉得高压物理电池或将是未来纯电动汽车的主力电源。

但高压物理电池还存在一些问题，如何能找到介质常数是10000以上的天然材料或进行人工合成材料，且此材料又同时具有极高的击穿电压。

如何控制电极间的距离d，d越小越好，考虑到耐压，一般只能取到微米级，为抗击穿，一般至少要叠加的介质材料颗粒不少于5～10层，这样介质材料颗粒至少要达到纳米级。

如何实现工业化生产等问题还未得到解决。