電容器由兩個金屬板或導體組成，這些金屬板或導體由絕緣體（例如空氣或塑料或陶瓷制成的薄膜）隔開。在充電過程中，電子在一個導體上積累并從另一個導體上離開。使用正常的制造實踐，傳統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組成。電極由作為高導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的膜隔開。該系統浸漬有電解質（圖 01）。兩個碳片和隔板的幾何尺寸設計為具有非常高的表面積。由于其結構，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，它會從電解質中吸引負離子，當向負極板施加電壓時，它會從電解質中吸引正離子。結果，離子層在板的兩側形成所謂的“雙層”形成，導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存儲和恢復高能量。

有源部分的表面是超級電容器容量的關鍵，據我們所知，增加表面積會增加容量。超級電容器技術中特別有趣和令人興奮的是引入納米技術所提供的可能性。一個例子是用數十億納米管的薄層代替傳統的活性碳層。每個納米管就像一個均勻的中空圓柱體，直徑為 5nm，長 100um，垂直生長在導電電極上，通過使用數十億個它們，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 年清潔技術論壇上的演講之后，人們對超級電容器產生了濃厚的興趣，并且可以肯定的是，納米技術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的地步。 如圖 02 所示，描繪了不同類型儲能設備的能量與功率密度，目前燃料電池、電池、超級電容器和傳統電容器的性能水平不重疊。然而，它們是互補的，最近的技術進步正在縮小電池和超級電容器之間的差距。

然而，最近的技術進步正在縮小電池和超級電容器之間的差距。

這些技術中的每一種都有其優點和缺點，電源設計人員在開發電源系統時會考慮這些優點和缺點。在圖 03 中，我們比較了鋰離子電池和超級電容器的關鍵參數，很明顯超級電容器的關鍵優勢之一是其極高的可循環性，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電池來說，這種情況不太可能發生。

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。對于必須在惡劣環境中為系統供電的系統設計人員而言，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的問題，關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，并且存在相關的環境風險。這就是研究非常有趣的地方，薩里大學和布里斯托大學在 2018 年 2 月就聚合物材料的開發提出的披露很有吸引力。當行業標準為 0.3F/cm2 時，它們實現了高達 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，我們將能夠談論 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。這將發生多快仍然未知，但考慮到申請的專利數量、提交的論文和行業興趣，應該不會花太長時間。

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。但在許多應用中，當設計人員需要峰值功率時，他們就在那里。

如果您是發燒友，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） 中發出深沉的音符時，它能夠為您的低音揚聲器提供數千瓦的峰值功率。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 模塊傳輸存儲的數據時提供峰值功率。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。在惡劣或密閉環境中運行的關鍵應用在化學和其他危險風險方面受到嚴格監管，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，這些應用程序必須有足夠長的備用電源來運行警報和安全關閉過程。在如此艱苦的條件下，傳統電池被超級電容器組所取代，對于一般應用，超級電容器組的值可能從幾法拉到 200 法拉。

接下來會發生什么？

正如我們所見，超級電容器技術發展非常迅速。儲能問題帶來的挑戰很可能是我們將看到納米技術在超級電容器中實施的更直接好處的領域。

結束本文的一個例子是中佛羅里達大學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合。納米科學技術中心的助理教授 Jayan Thomas 找到了一種改進常規銅線的方法，將其轉變為超級電容器電纜。基于納米晶須技術，它可以將標準銅線轉變為能夠存儲和輸送大量電力的超級電容器。

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。許多電源設計人員已經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，在不久的將來，超級電容器將成為現代電源解決方案的核心。

審核編輯：郭婷