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上世紀70年代石油危機催生的鋰電池技術，被視為最偉大的工業發明之一。鋰電池作為當今最主要的便攜式能源，影響著人們生活的方方面面，改變了人類的生活方式。如果沒有鋰電池，就不會有如今的便攜或穿戴式設備、手機、電動汽車、無人旋翼機等等。古迪納夫(John. B. Goodenough)等三位教授，也因就鋰電池的發明做出了奠基性貢獻而榮獲 2019 年諾貝爾化學獎。

然而鋰電池并非完美。安全隱患、能量密度及充放電速率(功率密度)依然偏低、壽命偏短等，是鋰電池的重大痛點。如現代主流鋰電池的能量密度接近 300Wh/kg，而汽油的能量密度約 13000 Wh/kg，是鋰電池的 40 多倍，且充電比加油的時間又長很多，使電動汽車在續航里程、便利性等方面較燃油汽車仍有不少差距。因此下一代電能存儲器件的開發成為業界競爭的焦點，是否會有一種能使安全性、壽命、能量密度、功率密度等性能全面提升的產品?超級電容器作為潛在技術路線之一，曾被寄予厚望。美國《探索》雜志 2007 年 1 月號刊，將其列為當時世界七大技術發現之一，認為這將是電能儲存領域的一項革命性發展。

典型電容器具有兩導電極板間夾一層介電質材料的三明治結構，與電池的電化學工作原理不同，它是靜電物理儲能器件。當在兩極板間施加電壓充電時，其中一個的表面會積聚正電荷，另一個相應積聚起負電荷。與電池類似，電容器經外部電路的負載連接兩極板就會產生電流放電。電容器不僅壽命長且功率密度極高，能以比鋰電池大得多的電流快速充放電。其能量密度 D 正比于極板間電壓的平方 V² 和介電質材料的相對介電常數 k，即 D∝kV²。因安全性等各種因素制約電壓一般不可太高，能量密度實際上主要取決于介電質材料的 k 值?，F有“高k”材料的k值在幾百到幾千(即×10²~10³)，能量密度最高僅為鋰電池的1%左右，這是其重大缺點。而所謂超級電容器，則利用具有超高等效 k 值的先進介電質或電解質形成雙電層電容，甚至把電化學性質的“贗電容”也加持進去，等效 k 值可高達幾萬乃至幾十萬(×10?~10?)，能量密度最高可為鋰電池的幾分之一乃至相當。但可惜，人們至今尚未見到超級電容器對鋰電池的顛覆性前景。

筆者近期從國家專利局網站了解到，一項名為《復相鈦酸銣功能陶瓷材料及其制備方法》的授權中國發明專利，披露了一類新型巨介電質新材料以及基于其的巨電容技術，讓人看到了電容器儲能應用的新曙光。該專利發明了一類包含被稱為 n-鈦酸銣(Rb?Ti? O????)的復相鈦酸銣功能陶瓷材料，在電學及電化學等方面具有遠超現有技術水平的不尋常特性，如常溫下高達 10?級的巨大 k 值伴隨著相對低的介電損耗，以及優良的絕緣性伴隨著 10ˉ³S/cm 級的離子電導率等。該類新材料為高能量密度的巨電容器提供了巨介電質解決方案，此外在全固態電池的固態電解質、記憶存儲單元、電子器件等領域也有著巨大的應用潛力。

該類巨介電質材料的相對介電常數即 k 值，是現有先進水平介電質材料的幾萬到幾十萬倍，按電容器能量密度 D∝kV²的關系，意味著采用該類巨介電質的巨電容器，理論上的能量密度也會提高同樣的倍數，即達到現有鋰電池的成百上千倍!若巨電容器還沿襲了物理儲能電容器壽命長(為鋰電池的百~千倍)、充放電速率高(為鋰電池的十~千倍) 、全固態及結構簡單等優點，綜合起來，其性能或性價比豈不將遠超鋰電池?顛覆鋰電王朝的技術真的來了嗎?

帶著疑問和好奇心，筆者通過一些渠道嘗試對該新技術做了進一步打探。

首先，利用該專利技術制備的新型固態功能材料樣品，以及采用該材料制備的一些紐扣式巨電容器樣品，早已送樣至某國家級第三方權威檢測機構進行了專業檢測，該機構所出具的正式檢測報告表明，樣品的比電容量巨大，材料的介電常數即 k 值，在室溫下確實達到了 10?級的國際領先水平。

此外信息來源還表明，該類巨介電質材料及巨電容器的研發工作在進一步快速推進，旨在于十四五期間實現產業化。目前的工作已初具如下特征：

① 體積和重量能量密度：器件樣品實測值現已達鋰電池的 5~10 倍或更高;

② 充放電速率：為正常電容級，即充滿、放完時間均可做到以秒或分鐘計;

③ 循環壽命：為正常電容級，充放電循環以萬次計，確保使用壽命≥10 年;

④ 溫度特性：適用溫度范圍寬廣，為-50℃～+120℃;

⑤ 安全性：全固態器件，不存在易燃易爆物質;

⑥ 環保性：無污染;

⑦ 經濟性：器件成本可控，不高于鋰電池。

結語：

在下一代電能存儲器件及系統開發方面，不僅有 LG，三星，寧德時代這樣的電池企業，豐田、特斯拉、比亞迪這樣的整車企業，還有各種跨行業、高科技、初創及投資類的公司紛紛加碼進來。鋰電池從上世紀 70 年代到今天，一路上也曾克服過很多技術和其他方面的挑戰。而今，各種技術路線百家爭鳴，可以預計它們的產業化路徑不都會一帆風順。未來的儲能器世界，誰能顛覆鋰電王朝?或許答案尚未明了，但基于巨介電質的巨電容器展現出的優異性能，讓人似乎感受到了一種脫穎而出的巨大動能。

顛覆鋰電王朝的技術來了？

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