電容器由兩個(gè)金屬板或?qū)w組成，這些金屬板或?qū)w由絕緣體（例如空氣或塑料或陶瓷制成的薄膜）隔開(kāi)。在充電過(guò)程中，電子在一個(gè)導(dǎo)體上積累并從另一個(gè)導(dǎo)體上離開(kāi)。使用正常的制造實(shí)踐，傳統(tǒng)電容器的能量?jī)?chǔ)存受到物理定律的限制，而這正是 Robert A. Rightmire 的發(fā)明為高能量?jī)?chǔ)存開(kāi)辟了新途徑的地方。

超級(jí)電容器電池基本上由兩個(gè)電極、一個(gè)隔膜和一個(gè)電解質(zhì)組成。電極由作為高導(dǎo)電部分的金屬集電器和作為高表面積部分的活性材料（金屬氧化物、碳和石墨是最常用的）組成。兩個(gè)電極由允許帶電離子移動(dòng)但禁止電導(dǎo)的膜隔開(kāi)。該系統(tǒng)浸漬有電解質(zhì)（圖 01）。兩個(gè)碳片和隔板的幾何尺寸設(shè)計(jì)為具有非常高的表面積。由于其結(jié)構(gòu)，高度多孔的碳可以存儲(chǔ)比任何其他電解電容器更多的能量。

當(dāng)向正極板施加電壓時(shí)，它會(huì)從電解質(zhì)中吸引負(fù)離子，當(dāng)向負(fù)極板施加電壓時(shí)，它會(huì)從電解質(zhì)中吸引正離子。結(jié)果，離子層在板的兩側(cè)形成所謂的“雙層”形成，導(dǎo)致離子儲(chǔ)存在碳表面附近。這種機(jī)制使超級(jí)電容器能夠在很短的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)和恢復(fù)高能量。

有源部分的表面是超級(jí)電容器容量的關(guān)鍵，據(jù)我們所知，增加表面積會(huì)增加容量。超級(jí)電容器技術(shù)中特別有趣和令人興奮的是引入納米技術(shù)所提供的可能性。一個(gè)例子是用數(shù)十億納米管的薄層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的活性碳層。每個(gè)納米管就像一個(gè)均勻的中空?qǐng)A柱體，直徑為 5nm，長(zhǎng) 100um，垂直生長(zhǎng)在導(dǎo)電電極上，通過(guò)使用數(shù)十億個(gè)它們，可以達(dá)到極高密度的容量水平。

超級(jí)電容器會(huì)取代電池嗎？

繼 Elon Musk 在 2011 年清潔技術(shù)論壇上的演講之后，人們對(duì)超級(jí)電容器產(chǎn)生了濃厚的興趣，并且可以肯定的是，納米技術(shù)提供的潛力讓人們寄予厚望，即在未來(lái)的某個(gè)時(shí)候，超級(jí)電容器可能會(huì)達(dá)到與電池性能相當(dāng)?shù)牡夭健?如圖 02 所示，描繪了不同類(lèi)型儲(chǔ)能設(shè)備的能量與功率密度，目前燃料電池、電池、超級(jí)電容器和傳統(tǒng)電容器的性能水平不重疊。然而，它們是互補(bǔ)的，最近的技術(shù)進(jìn)步正在縮小電池和超級(jí)電容器之間的差距。

然而，最近的技術(shù)進(jìn)步正在縮小電池和超級(jí)電容器之間的差距。

這些技術(shù)中的每一種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，電源設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)電源系統(tǒng)時(shí)會(huì)考慮這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在圖 03 中，我們比較了鋰離子電池和超級(jí)電容器的關(guān)鍵參數(shù)，很明顯超級(jí)電容器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是其極高的可循環(huán)性，這意味著它幾乎可以無(wú)限次充電和放電，對(duì)于具有明確的、更短的生命周期的電化學(xué)電池來(lái)說(shuō)，這種情況不太可能發(fā)生。

老化也有利于超級(jí)電容器。在正常情況下，從最初的 100% 容量開(kāi)始，它們?cè)?10 年內(nèi)僅損失 20%，這遠(yuǎn)高于任何電池所能達(dá)到的水平。對(duì)于必須在惡劣環(huán)境中為系統(tǒng)供電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，超級(jí)電容器將在極低至極高的溫度下運(yùn)行而不會(huì)退化，而我們知道電池并非如此。不利的一面是，超級(jí)電容器在 30 到 40 天內(nèi)從 100% 放電到 50%，而同期鉛和鋰基電池的自放電率約為 5%，但技術(shù)每天都在進(jìn)步，超級(jí)電容器正在變得越來(lái)越好。

隨著對(duì)可再生能源的需求不斷增長(zhǎng)以及與儲(chǔ)能相關(guān)的問(wèn)題，關(guān)于建造大型鋰離子電池組背后的原因的問(wèn)題越來(lái)越多。我們都知道，這些電池的使用壽命有限，但除了消耗寶貴的原材料外，它們還不容易回收，并且存在相關(guān)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。這就是研究非常有趣的地方，薩里大學(xué)和布里斯托大學(xué)在 2018 年 2 月就聚合物材料的開(kāi)發(fā)提出的披露很有吸引力。當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為 0.3F/cm2 時(shí)，它們實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 4F/cm2 的實(shí)用電容值，并有望在不久的將來(lái)達(dá)到 11-20F/cm2。當(dāng)達(dá)到這樣的容量水平時(shí)，我們將能夠談?wù)?180Wh/kg，這類(lèi)似于鋰離子電池。

超級(jí)電容器的研究水平確實(shí)令人印象深刻，而且差距正在縮小。這將發(fā)生多快仍然未知，但考慮到申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)量、提交的論文和行業(yè)興趣，應(yīng)該不會(huì)花太長(zhǎng)時(shí)間。

他們默默地做這項(xiàng)工作

超級(jí)電容器幾乎無(wú)處不在，幾乎不可能列出詳盡的應(yīng)用清單。從上海公交車(chē)實(shí)驗(yàn)到運(yùn)行僅由超級(jí)電容器供電的公交車(chē)隊(duì)，再到智能電表和收集能源，它們無(wú)處不在。

可以肯定的是，它們能夠維持高充電和放電周期，使其成為私人和公共電動(dòng)車(chē)輛以及港口起重機(jī)等機(jī)械積累和再利用能源的理想選擇。但在許多應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)計(jì)人員需要峰值功率時(shí)，他們就在那里。

如果您是發(fā)燒友，您的音頻放大器可能包含一個(gè)超級(jí)電容器組，當(dāng) Ferruccio Furlanetto 在唐吉訶德 （Don Quichotte） 中發(fā)出深沉的音符時(shí)，它能夠?yàn)槟牡鸵魮P(yáng)聲器提供數(shù)千瓦的峰值功率。如果你家里有一個(gè)智能電表，它很可能包含一個(gè)超級(jí)電容器，能夠在通過(guò) GPRS 模塊傳輸存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)提供峰值功率。再說(shuō)一次，如果您是蘭博基尼“Terzo Millennio”項(xiàng)目的技術(shù)極客，您會(huì)注意到超級(jí)電容器在這款非常特殊的電動(dòng)跑車(chē)的機(jī)動(dòng)化中所扮演的重要角色。

超級(jí)電容器的無(wú)聲力量

安全性是超級(jí)電容器的另一個(gè)好處，這就是為什么在受限環(huán)境中需要備用或峰值功率時(shí)，它們是首選的原因。在惡劣或密閉環(huán)境中運(yùn)行的關(guān)鍵應(yīng)用在化學(xué)和其他危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)方面受到嚴(yán)格監(jiān)管，減少或禁止使用某些類(lèi)型的電池，例如鋰離子電池。出于安全原因，這些應(yīng)用程序必須有足夠長(zhǎng)的備用電源來(lái)運(yùn)行警報(bào)和安全關(guān)閉過(guò)程。在如此艱苦的條件下，傳統(tǒng)電池被超級(jí)電容器組所取代，對(duì)于一般應(yīng)用，超級(jí)電容器組的值可能從幾法拉到 200 法拉。

接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么？

正如我們所見(jiàn)，超級(jí)電容器技術(shù)發(fā)展非常迅速。儲(chǔ)能問(wèn)題帶來(lái)的挑戰(zhàn)很可能是我們將看到納米技術(shù)在超級(jí)電容器中實(shí)施的更直接好處的領(lǐng)域。

結(jié)束本文的一個(gè)例子是中佛羅里達(dá)大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)非常有趣的研究，該研究將配電電纜與超級(jí)電容器的容量相結(jié)合。納米科學(xué)技術(shù)中心的助理教授 Jayan Thomas 找到了一種改進(jìn)常規(guī)銅線的方法，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌?jí)電容器電纜?；诩{米晶須技術(shù)，它可以將標(biāo)準(zhǔn)銅線轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虼鎯?chǔ)和輸送大量電力的超級(jí)電容器。

因此，在某種程度上，超級(jí)電容器正在成為未來(lái)最有希望的組件。許多電源設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在實(shí)施基于超級(jí)電容器的電源解決方案，但考慮到研究的速度以及人類(lèi)因氣候變化而面臨的巨大挑戰(zhàn)，在不久的將來(lái)，超級(jí)電容器將成為現(xiàn)代電源解決方案的核心。

審核編輯：郭婷