鉅大LARGE | 點擊量：1677次 | 2019年01月07日
高能鎳碳超級電容器讓電動車電源問題得以解決
你看滿大街上跑的汽車，有幾輛是電動車?
2008年北京奧運會，2010年上海世博會，人們看見電動汽車上路了，跑起來了。讓人振奮!
可是，到了今天，電動汽車還是“霧里看花”。
怎么回事呢?
周國泰院士斬釘截鐵地說，問題出在電動車的電源上。電動車的電池技術(shù)還沒有“過關(guān)”。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這是在北京的總后軍需物資油料部“周國泰院士工作室”，科技日報記者采訪周國泰院士的一段對話。
緊接著，周國泰說：“如今，我們研發(fā)成功了高能鎳碳超級電容器，這是電動車電源的一個新突破，將對電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來深刻影響?！?/p>
他隨手拿給記者一份邀請函，是8月24日天津市政府印發(fā)的。上面寫道:“天津市圍繞推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，與中國工程院院士周國泰合作，成功開發(fā)出高能鎳碳超級電容器產(chǎn)品。經(jīng)天津市科委組織成果鑒定，達到國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先水平，在電動汽車和儲能電站中將具有競爭優(yōu)勢。天津市人民政府定于2011年9月1日上午10時在天津大禮堂召開高能鎳碳超級電容器產(chǎn)品新聞發(fā)布會?！?/p>
眼前的周國泰院士，怎么搞起電動汽車研究了?
周國泰，我國特種、民用功能服裝材料和士兵個體防護研究領(lǐng)域的知名專家。
從一名戰(zhàn)士，到大學生，到走上總后軍需裝備研究所的科研之路，幾十年來，周國泰在防彈裝備、特種防護服裝和防寒保暖材料研究等方面，取得多項成果。先后主持研制防彈背心、防彈頭盔，解決了防彈材料及防彈結(jié)構(gòu)體復合成型、樹脂基體合成等一系列技術(shù)關(guān)鍵，研究成果居國際先進水平，他研制出的服裝已裝備軍、警、法等部門，并出口美國等10余個國家。開展靜電防護理論、特種防護服裝研究與技術(shù)開發(fā)，研制的防靜電、抗油拒水、阻燃等系列防護服裝，裝備到全國各大油田，并廣泛用于石化、冶金、林業(yè)等部門。主持被服保暖材料、保暖機理和生產(chǎn)技術(shù)研究，合作研制成功熱熔粘結(jié)絮片和PTFE防風防水透濕層壓織物，廣泛用于作訓服、防寒服、南極考察服和運動服等。創(chuàng)建我國服裝工效研究中心和特種防彈裝備V50彈擊試驗室，系統(tǒng)開展了服裝工效學研究，實現(xiàn)了我特種彈裝備測試評價與國際接軌。曾先后獲得國家科技進步一等獎3項、二等獎3項，省部級科技進步獎多項成果獎勵。1999年，當選為中國工程院院士，并晉升為少將。
今天的話題，還是談談你搞的超級電容器吧。
“你千萬別說是我一個人搞成的。我有一個研發(fā)團隊，有中央領(lǐng)導同志、有多個部委的關(guān)心支持，有天津市、張家港市、淄博市，有一大批多學科、多領(lǐng)域的專家協(xié)同合作創(chuàng)新，才開發(fā)出超級電容器，成為電動汽車的新電源?！痹菏?、將軍集于一身的周國泰，說話睿智果斷，開門見山。
高能鎳碳超級電容器，有哪些技術(shù)突破
高能鎳碳超級電容器，成為一種用在電動車上的全新電源，周國泰說：“實現(xiàn)了幾個突破。”
周國泰介紹，高能鎳碳超級電容器，首先在加大材料的比表面積上實現(xiàn)突破。傳統(tǒng)電容，100年前就發(fā)明了，電容是靠比表面積存儲電荷，其優(yōu)點是可無數(shù)次充放電，而且不發(fā)熱。儲電量的大小由其內(nèi)部比表面積大小而決定。超級電容器，就是在研發(fā)出新材料的基礎(chǔ)上，盡可能地擴大比表面積，使儲電量大幅增加;第二，超級電容在正負極的材料結(jié)構(gòu)上獲突破。電池的優(yōu)點是儲電量大，由電能轉(zhuǎn)化成化學能，再轉(zhuǎn)化成電能釋放出來，其比功率比傳統(tǒng)電容高得多。超級電容，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了電池和傳統(tǒng)電容的內(nèi)并，實現(xiàn)了電池和電容的優(yōu)點兼?zhèn)洹?/p>
鋰離子電池，不是業(yè)界推崇的電源嗎?周國泰說：“技術(shù)還不過關(guān)!”他將這種電池與超級電容器作了比較。
第一，鋰離子電池存在安全隱患。鋰離子、有機電解質(zhì)，其本身有易燃、易爆性，杭州、上海曾發(fā)生的電動汽車自燃事件，今天談起來還讓人后怕。超級電容器，充滿電后用射釘槍打，使其短路，任何反應都沒有;放火上燒，不銹鋼外殼快燒紅了，也沒發(fā)生爆炸。鋰離子電池，一旦發(fā)生短路，就會燃燒或者爆炸。
第二，鋰離子電池，基本是300A電流充電，時間長，一次充電要6―8小時，使用不方便。超級電容器，可1500A，甚至3000A大電流充電，單塊充滿電只要幾秒鐘，上百塊串聯(lián)在一起充電，6分鐘可達90%以上。
第三，鋰離子電池壽命短。充放電的標準是2000次，目前很少有能達到的，即使達到了，性價比不實用。超級電容器，可大電流充電，瞬間大電流放電，效果理想，充放電可達5萬―50萬次，而充放電的國家標準是5萬次。就說在淄博那次試驗，公交車裝上超級電容器充電后，乘坐滿員，上了高速路，時速120公里，一次充電跑了210公里。使用超級電容器的小轎車，瞬間可大提速，時速可達130公里。
“你說超級電容器的優(yōu)勢怎么樣?”說到此，周國泰問記者。大家都笑了。
回顧電動汽車發(fā)展歷程，人們不難掂量出超級電容器的分量，也不難理解天津市政府為什么要召開新聞發(fā)布會的原因。
電動汽車誕生有100多年了，1839年，蘇格蘭人羅伯特?安德森造出了世界上的第一臺“電動車”。不過它不十分成功。主要原因是，電池壽命太短，電力太小，只能挪動一個非常輕的底盤。到了19世紀后期，長效電池誕生，促進了電動車的進一步發(fā)展，人們才在倫敦的大街上見到電力驅(qū)動的出租車，不過行駛距離非常短，還必須不停地在充電站里充電。
羅伯特不會預想到，歷史進入到21世紀，隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車企業(yè)普遍認識到節(jié)能和減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的主攻方向，發(fā)展電動汽車成為解決這兩個技術(shù)難點的最佳途徑。電動汽車也隨之成為世界各國的選擇和技術(shù)競爭的一個焦點。
一些專家曾經(jīng)估計，全球能源礦產(chǎn)資源僅夠支撐不到100年;而我國的石油只能支撐國內(nèi)消耗30年，煤炭最多能支撐100年。目前，我國每年有85%的汽油和20%的柴油被汽車燒掉，汽車無疑成為了能源消耗大戶，能源緊張與汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)系十分密切。如果中國的人均汽車擁有量追上美國，中國的道路上就會奔跑著6億多輛小汽車，這一數(shù)字將超過世界其他國家小汽車數(shù)量的總和，對能源的需求將不言而喻，中國必將成為第一大油耗和石油進口國。
國人不會忘記，當年鐵人王進喜在首都北京看到汽車背著的“大包袱”，缺石油，被人瞧不起啊!
到了今天，汽車背的“大包袱”沒有了，可城市卻背上了“大包袱”。從地上看天，見不到藍天白云，從空中往下看，灰蒙蒙的，不見城市的倩影。說重了，是民族的恥辱!
從能源、環(huán)境的角度審視，發(fā)展新能源汽車，是我國的必然選擇。而且從技術(shù)的角度看，我國有自身的優(yōu)勢。
據(jù)相關(guān)資料顯示：我國雖然在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域落后于發(fā)達國家近二三十年，但在電動汽車領(lǐng)域，我國與國外的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度差距相對較小，并有機會在該領(lǐng)域獲得重要席位。這也為我國汽車工業(yè)技術(shù)實現(xiàn)跨越發(fā)展提供了一次歷史性的機遇，更重要的是我國還有后發(fā)優(yōu)勢。目前，我國電動汽車的研發(fā)已具備一定的基礎(chǔ)，一些企業(yè)在20世紀90年代中期就推出了電動汽車樣車。
我國“八五”以來電動汽車被正式列入國家攻關(guān)項目，對電動汽車的投入顯著增加。我國的汽車企業(yè)和高校、科研院所等200多家單位投入了大量的人力、財力和物力研發(fā)電動汽車，并取得了一系列科研成果。“九五”期間，電動汽車被列入863計劃12個重大專項之一，全國汽車標準化技術(shù)委員會于1998年新組建了電動汽車車輛標準化分技術(shù)委員會?？萍疾坑钟?001年啟動了電動汽車重大科技專項，使我國電動汽車技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度與國外處在同一起跑線上。
現(xiàn)代電動汽車一般可分為三類：純電動汽車(PEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池電動汽車(FCEV)。但是近幾年在傳統(tǒng)混合動力汽車的基礎(chǔ)上，又派生出一種外接充電式(Plug-In)混合動力汽車，簡稱PHEV。目前在全世界，電動汽車一直是各大汽車集團花費巨資研發(fā)的新興領(lǐng)域。
然而，制約電動汽車發(fā)展的瓶頸，還就是電池。世界電動車協(xié)會主席陳清泉在2011中國長春國際汽車論壇上表示，當前我國電動汽車電池技術(shù)存在兩個明顯缺點：第一個缺點就是缺乏深層次技術(shù)。比如電池的化學問題、物理問題、溫度問題、結(jié)構(gòu)問題等，在這些方面我們研發(fā)還不夠，沒有能夠建立數(shù)學模型把這些問題搞清楚;另一個缺點是缺乏評價體系。比如電池的安全性怎么樣，在高溫、低溫環(huán)境下能不能正常工作，這些都沒有一個好的評價。
有資料介紹，電動汽車對電池的要求比較高，電池要具備高比能、高比功率、快速充電和具有深度放電功能，循環(huán)和使用壽命要長。鉛酸電池，雖然其比能量、比功率和能量密度都比較低，但是高的性價比使其應用廣泛，然而帶來的是嚴重的環(huán)境問題。鎳鎘電池和鎳氫電池雖然性能好于鉛酸電池，但是其性價比不高，含重金屬，用完后回收處理難，若遺棄會對環(huán)境造成嚴重污染。
目前，越來越多的研究人員選用鋰離子電池作為電動汽車的動力電池，但這種電池的缺陷十分明顯，前面已敘。
“針對目前各種電池的缺陷，我們開發(fā)了超級電容器。”周國泰頓了一下，說，這種電容器的技術(shù)優(yōu)勢前面說了。所以，很順利地通過了天津市科委組織的成果鑒定。
高能鎳碳超級電容器，老百姓也用得起
有專家說，目前，幾乎所有的人都認為電動汽車是未來的發(fā)展趨勢，但種種跡象表明，電動汽車離我們還是比較遙遠。但電動自行車風靡全國，每天提幾公斤的電池上下樓，在居民小區(qū)并不鮮見。電動汽車怎么辦?
為此，有學者發(fā)表文章，對電動汽車提出種種擔憂和質(zhì)疑。有說電動汽車在電池上不成熟的，有說原子電池、聚合物電池、燃料電池、鋰離子電池等任何電池都不環(huán)保的，各種議論不絕于耳。
有各種質(zhì)疑和擔心，也屬正常?？萍紕?chuàng)新，正是在質(zhì)疑中前行、在爭論中創(chuàng)新的。說著，周國泰從沙發(fā)上站起來：“在發(fā)展電動汽車的過程中，有各種擔心，是可以理解的。電池的問題卡住了電動汽車的脖子，這也是事實。”他扳著手指頭，就說公交車吧，一輛公交車，走100公里，若用油30升，按8元1升算，要240元;而用電，走100公里。用電70度，每度電平均按6毛錢算，是42元錢。還是用電省吧。因此，發(fā)展電動車，不應動搖!
還以鋰離子電池為例，與超級電容器比，鋰離子電池成本7萬元，充電2000次，每充電1次按行駛100公里算，20萬公里就要更換電池;超級電容器，也按充電1次行駛100公里算，可充電5萬次，甚至可達10萬次、50萬次，超級電容器的價格不高于鋰離子電池。超級電容器回收后，對材料再激活處理后還可以使用。計算一下，綜合成本有多低!這樣，老百姓是不是就能用得起了?
超級電容器的生產(chǎn)是環(huán)保的，你可以到淄博年產(chǎn)100萬只的生產(chǎn)基地去看，生產(chǎn)車間，只有一個地漏，那是用來打掃衛(wèi)生沖水用的，整個生產(chǎn)過程，不產(chǎn)生廢水、廢氣，沒有污染排放。還用擔心環(huán)保問題嗎?
高能鎳碳超級電容器，“協(xié)同會戰(zhàn)”的結(jié)果
話題回到采訪周國泰院士的開頭。他還是堅持說那句話，超級電容器的研發(fā)，是多方支持，多領(lǐng)域、多學科專家協(xié)同攻關(guān)的成果。
“周院士說的是事實!”原海軍后勤部技術(shù)裝備研究所研究員陳同柱講起了周國泰。
周院士是一位軍人科學家。多年來，他創(chuàng)建了我們國家的特種科研的新模式和新路子。他作為領(lǐng)軍專家，堅持軍民融合發(fā)展，他把軍內(nèi)外有關(guān)專家，戰(zhàn)略研究的，特種需求的，科研管理的專家都聯(lián)合起來，充分集成地方的科研力量、技術(shù)成果，甚至地方的資金資源，高效組合起來，形成優(yōu)勢。這就是他的“小核心大聯(lián)合”的科研創(chuàng)新模式。
陳同柱說，就說超級電容器這個新能源項目，看起來是解決電動汽車動力問題，最終是軍民兩用，可能在特種、航天，包括新型飛機、特種都可應用，解決特種特種急需的新能源，花了最少的錢，取得了大成果。現(xiàn)在，特種、飛機、航天火箭，液體燃料的推力遠遠不夠用了，他的科研找到了路子，很可能要在這方面突破。這就是軍民融合。
回顧周國泰的科研歷程，他倡導“大科研”的思路清晰可見。
多年來，他打破研究所的“高大院墻”，廣泛合作，先后有十幾名院士和知名專家給他當顧問，直接參與課題研究。他把研究室主任帶到訓練場上去，帶到船上去，干什么?上去找科研課題。他說，你研究的防寒服裝，要自己穿上到寒區(qū)特種去和戰(zhàn)士一塊體驗。比如，研究出艦船食品，就到船上去，風浪顛簸后看自己能不能吃。
他說：“好舵手會用八面風!科研，要兼容式、融合式，廣泛聯(lián)合、協(xié)作，充分發(fā)揮各方面的力量，發(fā)揚‘兩彈一星’精神!”正是這樣，在“九五”期間，周國泰創(chuàng)造了一個不足百人的研究所獲得11項全軍科研重大貢獻獎，而有幾千人的一個研究院才獲9項。
關(guān)于獲得多方面支持和合作，周國泰講了一個故事。
一次，周國泰向一位中央領(lǐng)導同志匯報，說超級電容器用在電動汽車上，從起步，上坡，提速，包括充電速度如何快等等，講得頭頭是道。這位領(lǐng)導同志說，我不聽你講，把車開來看看。
果然，周國泰把車開來了，領(lǐng)導坐了一圈，給予肯定：好!并詳細過問還有什么困難。這件事發(fā)生在2010年。
超級電容器研發(fā)，像許多創(chuàng)新成果一樣，最初從實驗室做起，始于2008年。
怎么想到了研發(fā)超級電容器呢?
先看看這一年有關(guān)電動汽車的信息，各種電池技術(shù)及生產(chǎn)的消息，鋪天蓋地。人們的胃口吊起來了，期待著大街上有更多的電動汽車在跑。同時，業(yè)界在電動汽車電池技術(shù)上，也有不少爭論。有人認為，電動汽車電池技術(shù)上解決了，只是成本高，國家出臺補貼政策，就能推進電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。也有人提出，靠國家補貼，不是長久之計，有人在借機圈錢，電池技術(shù)還沒有真正“過關(guān)”。
在這樣的氛圍下，周國泰組織創(chuàng)新團隊攻關(guān)。他注意到，有人在傳統(tǒng)電池上做文章，力求技術(shù)新突破。傳統(tǒng)電池，是電能變成化學能，再轉(zhuǎn)變成電能。而傳統(tǒng)電容，是做大比表面積，通過研發(fā)各種物質(zhì)材料，用增加比表面積的辦法，來提高電容的性能。比表面積最大的材料，是活性碳。周國泰，在傳統(tǒng)電池和傳統(tǒng)電容之間，選擇了一條科研的“中間路線”，集成電池和電容的優(yōu)點于一身。
科技創(chuàng)新，往往是在不經(jīng)意間，又往往以科研思路正確取勝。有成就的科學家，首先是在科研思路和方法上與眾不同，從而獲得科學突破。周國泰就是這樣的科學家。在近4年的時間里，他領(lǐng)著科研團隊，日夜苦干。他像當年研究石油工人防護服那樣，從實驗室到油田，身背大包服裝搞試驗，四處奔波;他像當年研究特種防護服、防彈頭盔那樣，上靶場，進深山，鉆貓耳洞。研發(fā)超級電容器，還是那樣“拼命三郎”。為此，4年間，周國泰病倒兩次住院。
這里難以記述周國泰和研發(fā)團隊更多的創(chuàng)新故事。不過，在近4年的時間里，他和研發(fā)團隊終于獲得了新成果：高能鎳碳超級電容器。在天津市科委組織的成果鑒定會上，獲得很高的評價。
采訪周國泰院士，他不愿講自己“過五關(guān)、斬六將”的故事，而是不間斷地談超級電容器研發(fā)獲得的方方面面的大力支持和研發(fā)中的大團隊協(xié)同。
他說，這是事實啊!從中央領(lǐng)導，到國家發(fā)改委、科技部等多個部委、天津市、天津市科委、張家港市、淄博市等，各級領(lǐng)導重視、關(guān)心、支持，涉及汽車等多領(lǐng)域、多學科專家密切合作，步調(diào)一致，協(xié)同攻關(guān)。不如此，這個超級電容器搞不出來，更不能成功用在汽車上。
舉個例子吧。發(fā)改委的有關(guān)領(lǐng)導多忙啊!可是，領(lǐng)導多次表示：“周院士來談項目，隨時可見?！?/p>
做實驗，急需一筆資金，張家港市委書記黃欽、市長徐美健得知后，當即拍板：“資金一周內(nèi)到位。”徐美健說：“這是國家的大事、民族的大事，即使失敗了，我們張家港也愿意交這個學費!”
超級電容器中試，需要投入一筆資金，建中試生產(chǎn)線，淄博市委書記劉慧晏、市長周清利也還是當即決定：“中試生產(chǎn)線建在淄博，年產(chǎn)100萬塊，投資一周內(nèi)到位?！敝芮謇f：“實現(xiàn)零排放，還百姓一片藍天是我們共產(chǎn)黨人的責任，我豁出老命也要一干到底?！辈粌H如此，市科技局局長周元軍就住在廠里，中試生產(chǎn)線高質(zhì)量、高標準，以最快的速度建成。
周國泰還講了幾件他難忘的事。
超級電容器要在汽車上做試驗。那是一個大冬天，北京那天出奇的冷。淄博市科技局局長周元軍帶著汽車，大汽車上馱著小汽車，一路從淄博趕到北京，下了車雙手冰涼，身體發(fā)抖。再看幾位穿工作服的隨行，裝車、卸車。旁人不知道，這幾位是山東理工大學領(lǐng)軍級的教授啊!
超級電容器做汽車發(fā)動機試驗，涉及到天津軍交實驗室、天津無線電18所、汽研中心等多家單位、多位科研人員，大家一呼百應，一項試驗要求5天完成，天津軍交學院院長猶如戰(zhàn)場下命令：“5天完成，只能提前。”
尤其是天津市，張高麗書記在不到一年的時間5次親自召開會議協(xié)調(diào)和討論此項目，并做多次批示。分管工業(yè)的副市長王治平召開20余次專門會議協(xié)調(diào)政府有關(guān)部門。天津市有關(guān)企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，科委領(lǐng)導多次來試驗室，具體指導項目的進程。他們心中裝的是環(huán)境，裝的是百姓，裝的是那一片蔚藍的天!
周國泰說：“我不是搞汽車的。超級電容要用在汽車上，如果沒有這樣的大力支持、協(xié)同攻關(guān)、良好的合作，是根本不可能的!協(xié)同，使每個人的創(chuàng)新潛能充分釋放出來，整合起來。”
又說起為研發(fā)超級電容器項目，周國泰不到4年兩次住院。院士也當了，將軍的銜也授了，功成名就了，何必再“拼命”呢?!
周國泰說：“節(jié)能減排，哥本哈根會議上，溫總理有承諾。還老百姓一片藍天，作為科技工作者，我有一份責任!”
走出周國泰院士工作室，記者還回味著這句話。
