乌龟和动物玩耍（让乌龟和兔子交配）

将超级电容器和电池混合使用，可能会给电动汽车带来克服消费者阻力所需的东西。

说到加速，一些电动汽车不仅要靠电池来提供必要的功率，还要靠一种叫做“超级电容器”的第二能源。电池是马拉松运动员，能够在长途中提供足够的电量。而超级电容器是短跑运动员，能够在瞬间释放大量能量。

快速放电并不是超级电容器的唯一特长，它还能够快速充电，这一点使得它们在生制动系统中尤其出色，因为它们能够吸收汽车减速时产生的更多电力。不过，它们能够储存的能量只有电池的一小部分，过不了多久便会气喘吁吁。于是乎，工程师们一段时间以来一直在尝试将超级电容器的最佳性能和电池最有用的特性相结合，制造一种兼具速度和持久性的存储设备。他们目前取得了一些成功。其实，位于法国艾克斯-普罗旺斯附近的NAWATechnologies公司声称，其类似于超级电容的电池可以使电动汽车的续航里程增加一倍以上，充电一次可行驶1000公里，另外这种新设备还可以在五分钟内充80%的电量。

电容器和电池的工作方式不同，所以将它们结合在一起并不容易。电容器以静电的物理形式储存能量，比较容易，也比较快速，所以电容器有着良好的功率密度（每单位重量的能量传递速率）。一个优秀的现代超级电容器的功率密度是每公斤几千瓦。

而电池以化学方式储存能量，即在两个电极中以活性物质的形式储存能量。这些电极在物理上是分开的，但由一种叫做电解质的材料相连接。通过电解质，带电原子（离子）可以从一个电极传递到另一个电极，从而使反应得以进行。然而，只有当离子流被通过电极之间外部回路的电子流平衡时，这种情况才会发生。这种电子流就是电流，这就是电池存在的原因。

因为化学反应需要时间，所以用这种方法操作的话电池的功率密度会很低，而电动汽车中使用的锂离子电池每千克只能产生十分之一千瓦的电量。但是化学物质可以储存很多能量，所以电池有很高的能量密度（每单位重量可以包含的能量）。锂离子电池每千克可存储200-300瓦时能量，而超级电容器一般可以控制在10wh/kg以下。

相比之下，无论是碱性电容器还是超级电容器，都是由一对导电板组成，它们分别位于隔膜材料的两侧。当导电板被施加电压时，其中一块导电板的表面产生正电荷，另一块导电板的表面则产生相应的负电荷。之后通过外部电路将两块导电板进行连接，就像电池一样，电流就会开始流动。

从基础电容器到超级电容器的飞跃涉及两点。一点是要在导电板上涂上如活性炭等的多孔材料以增加存储能量的可用表面积，另一点是要将它们浸泡在电解质中，这样就能在电解质与极板的边界处形成更多的存储区域。不过，在混合物中加入电解质的同时可能也会加入一些类似电池的电化学元素。爱沙尼亚的一家超级电容器公司“骨架技术”正计划这样做。

骨架公司已经开发出一种由所谓的“弯曲”石墨烯组成的导电板，用于一系列新的简单的超级电容器。普通石墨烯是一层排列成六边形网格的碳原子，导电性很强，而骨架公司的“弯曲”石墨烯则是由褶皱的材料组成的。该公司希望由此增加的表面积能将其新产品的能量密度提高到10-15wh/kg——即一个20-30wh/kg的超级电容器理论上能够达到的最大值的一个不错的节点。

而这只是骨架公司计划的开胃小菜。该公司的工程师正在和德国卡尔斯鲁厄理工学院合作，将弯曲石墨烯用于所谓的“超级电池”当中。骨架的创新负责人塞巴斯蒂安·波尔曼说，虽然它本质上还是一个超级电容器，以静电方式储存大部分电荷，但电解质也能提供一些化学能量储存。然而，该公司对其使用的电解质和所涉及的化学成分闭口不提。波尔曼博士只是说：“传统的锂离子化学无法和它相提并论。”他声称，最后的成果就是，该电池可以在15秒内充满电并储存60wh/kg的能量。骨架公司计划于2023年前对该超级电池进行商业化生产。

其他研究小组也在研究如何为超级电容器增加化学能量存储。例如，奥地利格拉茨科技大学的研究人员已经开发出了一种电触点上涂着能被小孔穿透的碳的电池。其中一个电触点相当于一个电容板，另一个电触点相当于电池的电极。和骨架公司不同的是，格拉茨小组对电解液化学的研究方法持开放态度。他们使用的是碘化钠水溶液(即钠离子和碘离子的溶液)。碘离子在电极上转化为碘元素，在放电过程中在小孔中结晶。当设备进行充电时，这一过程会反过来进行。电容板上的孔也同样用于容纳钠离子。

根据其发明者最近发表在《自然通讯》上的一篇论文，格拉茨电池的性能超过了锂离子电池。例如，研究小组成员卡马尔·阿巴斯说，它能够应付高达100万次的充放电循环。锂离子当量的电池可以运行几千次循环。

于是，骨架和格拉茨团队都采用了改良的超级电容器结构，并添加了一些定制的电化学元素。相比之下，虽然NAWATechnologies公司提供的产品确实也使用了改良的超级电容器板作为电极，但它使用了经过验证的锂离子成分来进行化学辅助工作。

NAWA和骨架一样，也在生产超级电容器。该公司使用一种叫做VACNT(垂直排列碳纳米管)的工艺制造了这些平板，将这些管子像微型刷子的刷毛一样进行排列。极端的缩影。每平方厘米大约有1000亿条管子竖着立正，这大大增加了可容纳电荷的表面积。

为了使VACNT板也能作为类似电池的电极使用，NAWA的工程师对纳米管进行了细化，为电池进行化学反应所使用的化学涂层腾出空间，为锂离子进出奈米管之间的空间腾出空间。该公司估计，这种自由移动将使这种装置的功率密度提高10倍。

首先，该发明的阴极(电池中的正极)的纳米管将被镀上镍、锰和钴，一种已经广泛用于制造此类阴极的混合体。传统的阳极(负极)已经是碳基的，所以使用碳纳米管形式的元素并没有太大的差异。尽管如此，其他未被商业化开发的电池化学物质也应该适用于VACNT电极。其中包括锂-硫和锂-硅，这两种物质都有可能增加能量密度。

硅的前景极其光明，但它会在吸收离子的过程中膨胀，这可能会损坏电池。2013年协助发现NAWA的物理学家帕斯卡尔·布朗热称VACNT电极中错综复杂的纳米管就像笼子一样控制着硅。这种新的电极材料也可以用于固体电解质(非液体电解质)以制造“固态”电池。这些技术既强大又稳健，但商业化却很棘手。

布朗热博士称，在与一些未具名的电池公司的测试当中，VACNT电极在一种电池中达到了500wh/kg的能量密度，在另一种电池中则达到了每升1400瓦时的能量密度，这大概是普通锂离子电池在重量和体积上的两倍。他补充道：“这一点我们很容易就做到了，所以我们相信还有很大的改进空间。”

NAWA承认有合作的一家公司是“帅福得”，“帅福得”是想要从化石燃料转向多元化的法国石油巨头道达尔旗下的一家大型电池制造商。Saft的客户包括几支F1车队，他们的赛车要使用电力。“帅福得”还与欧洲大型汽车制造商PSA集团合作，为电动汽车生产电池。

当然，新设备的成功将取决于它的制造成本。NAWA已经在建设一条大规模生产线，为其最新的超级电容器生产真空极板。NAWA的首席执行官葛卫凯称，这种在一卷铝箔的两面都种植纳米管的工序可以很容易转移到现有的电池生产线上，甚至有可能降低电池的制造成本。他预计第一代超级电容-电池混合动力车将于2023年投产。

这种混合储能技术是否能与传统锂离子电池竞争还有待观察。锂离子电池具备市场主导优势，电池制造商已经投资数十亿美元建立了巨大的“超级工厂”来对它们进行批量生产。然而，尽管对电动汽车的大肆宣传，对锂离子电池的疑虑仍萦绕在许多消费者的心中。里程焦虑、再充电速度和费用所有这些因素都会让消费者犹豫要不要买它。将超级电容器的爆发力和电池的耐力混合起来至少可以克服上述两个障碍，从而最终开启一个真正无忧无虑的电动汽车时代。