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            促進鋰電產業健康持續發展!
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            高能鎳碳超級電容器問世 解決電動車電源問題

            鋰電中國瀏覽量:6096時間:2011-09-02 10:20:18

            本網點評:

            鋰電中國認為:新能源汽車首先是汽車,首先要具備汽車的所有功能。第一要具備安全性,然后才考慮快速,便捷和舒適。新能源汽車的成功產業化必須著眼于重大技術突破。新能源汽車應該是一場深刻的技術革命,是對傳統汽車的顛覆。鋰電中國一直認為,新能源汽車的未來在于原始創新,而不僅僅是集成創新。集成創新的東西只可能是暫時性,階段性的成果。發展新能源汽車沒有捷徑,國家制定相關政策不能隨著利益群體的糾葛而變來變去,應營造出技術創新氛圍,兼顧新能源的多元化。

            近日科技日報發表的“高能鎳碳超級電容器解決電動車電源問題”引起關注。汽車電池領域,誰是“花拳繡腿”,誰是“真功夫”并最終取得成功?應PK完善的產業鏈,安全、低成本、高性價比等硬指標——我們將拭目以待。

            [導讀]高能鎳碳超級電容器,成為一種用在電動車上的全新電源。

            周國泰院士(左二)和科技人員一起檢驗汽車用高能鎳碳超級電容器

            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。電動車的電池技術還沒有“過關”。

            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,將對電動車產業發展帶來深刻影響!

            他隨手拿給記者一份邀請函,是8月24日天津市政府印發的。上面寫道:“天津市圍繞推動新能源產業發展,與中國工程院院士周國泰合作,成功開發出高能鎳碳超級電容器產品。經天津市科委組織成果鑒定,達到國際先進、國內領先水平,在電動汽車和儲能電站中將具有競爭優勢。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品新聞發布會!

            眼前的周國泰院士,怎么搞起電動汽車研究了?

            周國泰,我國軍用、民用功能服裝材料和士兵個體防護研究領域的知名專家。

            從一名戰士,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構體復合成型、樹脂基體合成等一系列技術關鍵,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開發,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、林業等部門。主持被服保暖材料、保暖機理和生產技術研究,合作研制成功熱熔粘結絮片和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。創建我國服裝工效研究中心和單兵防彈裝備V50彈擊試驗室,系統開展了服裝工效學研究,實現了我國防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。我有一個研發團隊,有中央領導同志、有多個部委的關心支持,有天津市、張家港市、淄博市,有一大批多學科、多領域的專家協同合作創新,才開發出超級電容器,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突破。傳統電容,100年前就發明了,電容是靠比表面積存儲電荷,其優點是可無數次充放電,而且不發熱。儲電量的大小由其內部比表面積大小而決定。超級電容器,就是在研發出新材料的基礎上,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構上獲突破。電池的優點是儲電量大,由電能轉化成化學能,再轉化成電能釋放出來,其比功率比傳統電容高得多。超級電容,在結構上實現了電池和傳統電容的內并,實現了電池和電容的優點兼備。

            鋰離子電池,不是業界推崇的電源嗎?周國泰說:“技術還不過關!”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,其本身有易燃、易爆性,杭州、上海曾發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,也沒發生爆炸。鋰離子電池,一旦發生短路,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展,人們才在倫敦的大街上見到電力驅動的出租車,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普遍認識到節能和減排是未來汽車技術發展的主攻方向,發展電動汽車成為解決這兩個技術難點的最佳途徑。電動汽車也隨之成為世界各國的選擇和技術競爭的一個焦點。

            一些專家曾經估計,全球能源礦產資源僅夠支撐不到100年;而我國的石油只能支撐國內消耗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發展的關系十分密切。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,這一數字將超過世界其他國家小汽車數量的總和,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!

            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、環境的角度審視,發展新能源汽車,是我國的必然選擇。而且從技術的角度看,我國有自身的優勢。

            據相關資料顯示:我國雖然在傳統汽車領域落后于發達國家近二三十年,但在電動汽車領域,我國與國外的技術水平和產業化程度差距相對較小,并有機會在該領域獲得重要席位。這也為我國汽車工業技術實現跨越發展提供了一次歷史性的機遇,更重要的是我國還有后發優勢。目前,我國電動汽車的研發已具備一定的基礎,一些企業在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項目,對電動汽車的投入顯著增加。我國的汽車企業和高校、科研院所等200多家單位投入了大量的人力、財力和物力研發電動汽車,并取得了一系列科研成果!熬盼濉逼陂g,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委員會于1998年新組建了電動汽車車輛標準化分技術委員會?萍疾坑钟2001年啟動了電動汽車重大科技專項,使我國電動汽車技術水平和產業化程度與國外處在同一起跑線上。

            現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)。但是近幾年在傳統混合動力汽車的基礎上,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的新興領域。

            然而,制約電動汽車發展的瓶頸,還就是電池。世界電動車協會主席陳清泉在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存在兩個明顯缺點:第一個缺點就是缺乏深層次技術。比如電池的化學問題、物理問題、溫度問題、結構問題等,在這些方面我們研發還不夠,沒有能夠建立數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,我們開發了超級電容器!敝車╊D了一下,說,這種電容器的技術優勢前面說了。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,在居民小區并不鮮見。電動汽車怎么辦?

            為此,有學者發表文章,對電動汽車提出種種擔憂和質疑。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保的,各種議論不絕于耳。

            有各種質疑和擔心,也屬正常?萍紕撔,正是在質疑中前行、在爭論中創新的。說著,周國泰從沙發上站起來:“在發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!彼庵种割^,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?

            超級電容器的生產是環保的,你可以到淄博年產100萬只的生產基地去看,生產車間,只有一個地漏,那是用來打掃衛生沖水用的,整個生產過程,不產生廢水、廢氣,沒有污染排放。還用擔心環保問題嗎?

            高能鎳碳超級電容器,“協同會戰”的結果

            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,是多方支持,多領域、多學科專家協同攻關的成果。

            “周院士說的是事實!”原海軍后勤部技術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,他創建了我們國家的軍事科研的新模式和新路子。他作為領軍專家,堅持軍民融合發展,他把軍內外有關專家,戰略研究的,軍事需求的,科研管理的專家都聯合起來,充分集成地方的科研力量、技術成果,甚至地方的資金資源,高效組合起來,形成優勢。這就是他的“小核心大聯合”的科研創新模式。

            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,可能在潛艇、航天,包括新型飛機、導彈都可應用,解決國防軍事急需的新能源,花了最少的錢,取得了大成果,F在,導彈、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,要自己穿上到寒區部隊去和戰士一塊體驗。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,廣泛聯合、協作,充分發揮各方面的力量,發揚‘兩彈一星’精神!”正是這樣,在“九五”期間,周國泰創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。這件事發生在2010年。

            超級電容器研發,像許多創新成果一樣,最初從實驗室做起,始于2008年。

            怎么想到了研發超級電容器呢?

            先看看這一年有關電動汽車的信息,各種電池技術及生產的消息,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,業界在電動汽車電池技術上,也有不少爭論。有人認為,電動汽車電池技術上解決了,只是成本高,國家出臺補貼政策,就能推進電動汽車產業的發展。也有人提出,靠國家補貼,不是長久之計,有人在借機圈錢,電池技術還沒有真正“過關”。

            在這樣的氛圍下,周國泰組織創新團隊攻關。他注意到,有人在傳統電池上做文章,力求技術新突破。傳統電池,是電能變成化學能,再轉變成電能。而傳統電容,是做大比表面積,通過研發各種物質材料,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,在傳統電池和傳統電容之間,選擇了一條科研的“中間路線”,集成電池和電容的優點于一身。

            科技創新,往往是在不經意間,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;他像當年研究作戰防護服、防彈頭盔那樣,上靶場,進深山,鉆貓耳洞。研發超級電容器,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團隊更多的創新故事。不過,在近4年的時間里,他和研發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、斬六將”的故事,而是不間斷地談超級電容器研發獲得的方方面面的大力支持和研發中的大團隊協同。

            他說,這是事實!從中央領導,到國家發改委、科技部等多個部委、天津市、天津市科委、張家港市、淄博市等,各級領導重視、關心、支持,涉及汽車等多領域、多學科專家密切合作,步調一致,協同攻關。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。發改委的有關領導多忙!可是,領導多次表示:“周院士來談項目,隨時可見!

            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:“中試生產線建在淄博,年產100萬塊,投資一周內到位!敝芮謇f:“實現零排放,還百姓一片藍天是我們共產黨人的責任,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,中試生產線高質量、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軍級的教授!

            超級電容器做汽車發動機試驗,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次親自召開會議協調和討論此項目,并做多次批示。分管工業的副市長王治平召開20余次專門會議協調政府有關部門。天津市有關企業聯合攻關,科委領導多次來試驗室,具體指導項目的進程。他們心中裝的是環境,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、協同攻關、良好的合作,是根本不可能的!協同,使每個人的創新潛能充分釋放出來,整合起來!

            又說起為研發超級電容器項目,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。

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