電容器由兩個金屬板或?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。在充電過程中，電子在一個導(dǎo)體上積累并從另一個導(dǎo)體上離開。使用正常的制造實踐，傳統(tǒng)電容器的能量儲存受到物理定律的限制，而這正是 Robert A. Rightmire 的發(fā)明為高能量儲存開辟了新途徑的地方。

超級電容器電池基本上由兩個電極、一個隔膜和一個電解質(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。兩個電極由允許帶電離子移動但禁止電導(dǎo)的膜隔開。該系統(tǒng)浸漬有電解質(zhì)（圖 01）。兩個碳片和隔板的幾何尺寸設(shè)計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比任何其他電解電容器更多的能量。

當向正極板施加電壓時，它會從電解質(zhì)中吸引負離子，當向負極板施加電壓時，它會從電解質(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)致離子儲存在碳表面附近。這種機制使超級電容器能夠在很短的時間內(nèi)存儲和恢復(fù)高能量。

有源部分的表面是超級電容器容量的關(guān)鍵，據(jù)我們所知，增加表面積會增加容量。超級電容器技術(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。每個納米管就像一個均勻的中空圓柱體，直徑為 5nm，長 100um，垂直生長在導(dǎo)電電極上，通過使用數(shù)十億個它們，可以達到極高密度的容量水平。

超級電容器會取代電池嗎？

繼 Elon Musk 在 2011 年清潔技術(shù)論壇上的演講之后，人們對超級電容器產(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，即在未來的某個時候，超級電容器可能會達到與電池性能相當?shù)牡夭健?如圖 02 所示，描繪了不同類型儲能設(shè)備的能量與功率密度，目前燃料電池、電池、超級電容器和傳統(tǒng)電容器的性能水平不重疊。然而，它們是互補的，最近的技術(shù)進步正在縮小電池和超級電容器之間的差距。

然而，最近的技術(shù)進步正在縮小電池和超級電容器之間的差距。

這些技術(shù)中的每一種都有其優(yōu)點和缺點，電源設(shè)計人員在開發(fā)電源系統(tǒng)時會考慮這些優(yōu)點和缺點。在圖 03 中，我們比較了鋰離子電池和超級電容器的關(guān)鍵參數(shù)，很明顯超級電容器的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是其極高的可循環(huán)性，這意味著它幾乎可以無限次充電和放電，對于具有明確的、更短的生命周期的電化學(xué)電池來說，這種情況不太可能發(fā)生。

老化也有利于超級電容器。在正常情況下，從最初的 100% 容量開始，它們在 10 年內(nèi)僅損失 20%，這遠高于任何電池所能達到的水平。對于必須在惡劣環(huán)境中為系統(tǒng)供電的系統(tǒng)設(shè)計人員而言，超級電容器將在極低至極高的溫度下運行而不會退化，而我們知道電池并非如此。不利的一面是，超級電容器在 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)每天都在進步，超級電容器正在變得越來越好。

隨著對可再生能源的需求不斷增長以及與儲能相關(guān)的問題，關(guān)于建造大型鋰離子電池組背后的原因的問題越來越多。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。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發(fā)提出的披露很有吸引力。當行業(yè)標準為 0.3F/cm2 時，它們實現(xiàn)了高達 4F/cm2 的實用電容值，并有望在不久的將來達到 11-20F/cm2。當達到這樣的容量水平時，我們將能夠談?wù)?180Wh/kg，這類似于鋰離子電池。

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

他們默默地做這項工作

超級電容器幾乎無處不在，幾乎不可能列出詳盡的應(yīng)用清單。從上海公交車實驗到運行僅由超級電容器供電的公交車隊，再到智能電表和收集能源，它們無處不在。

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車輛以及港口起重機等機械積累和再利用能源的理想選擇。但在許多應(yīng)用中，當設(shè)計人員需要峰值功率時，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超級電容器組，當 Ferruccio Furlanetto 在唐吉訶德 （Don Quichotte） 中發(fā)出深沉的音符時，它能夠為您的低音揚聲器提供數(shù)千瓦的峰值功率。如果你家里有一個智能電表，它很可能包含一個超級電容器，能夠在通過 GPRS 模塊傳輸存儲的數(shù)據(jù)時提供峰值功率。再說一次，如果您是蘭博基尼“Terzo Millennio”項目的技術(shù)極客，您會注意到超級電容器在這款非常特殊的電動跑車的機動化中所扮演的重要角色。

超級電容器的無聲力量

安全性是超級電容器的另一個好處，這就是為什么在受限環(huán)境中需要備用或峰值功率時，它們是首選的原因。在惡劣或密閉環(huán)境中運行的關(guān)鍵應(yīng)用在化學(xué)和其他危險風(fēng)險方面受到嚴格監(jiān)管，減少或禁止使用某些類型的電池，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的備用電源來運行警報和安全關(guān)閉過程。在如此艱苦的條件下，傳統(tǒng)電池被超級電容器組所取代，對于一般應(yīng)用，超級電容器組的值可能從幾法拉到 200 法拉。

接下來會發(fā)生什么？

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

結(jié)束本文的一個例子是中佛羅里達大學(xué)進行的一項非常有趣的研究，該研究將配電電纜與超級電容器的容量相結(jié)合。納米科學(xué)技術(shù)中心的助理教授 Jayan Thomas 找到了一種改進常規(guī)銅線的方法，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌夒娙萜麟娎|?；诩{米晶須技術(shù)，它可以將標準銅線轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虼鎯洼斔痛罅侩娏Φ某夒娙萜鳌?/p>

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

審核編輯：郭婷