快速充放电的利器 详解超级电容技术

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超级电容的基本结构 “超级电容器”听起来是个很棒的家伙。超级电容器作为一种新型的电能存储元件，可以弥补目前锂离子电池功率密度的不足。目前已应用于军事、新能源汽车和各种机电设备，与锂离子电池形成“交叉火力”时，可大幅提升储能组件的技术指标，以满足近乎苛刻复杂的使用环境。

●超级电容器的基本结构

超级电容器也叫双电层电容器。结构上与电解电容器非常相似。简单来说，如果将两个电极插入电解液中并施加电压，那么电解液中的正负离子会在电场的作用下迅速向两极移动，最终在两个电极表面分别形成闭合的电荷层，即双电层。

电容取决于电极的表面积和两个电极之间的距离。传统电容器的电极表面积是导体的平坦面积。为了获得更大的容量，导体材料通常被轧制得很长，有时其表面积会因特殊的组织结构而增加。同时，传统电容器采用绝缘材料将其两个电极隔开，一般为塑料薄膜、纸张等。这些材料也要求尽可能薄。

超级电容器的电极表面积是基于多孔碳材料，由于其多孔结构而具有非常大的表面积。此外，超级电容器电极之间的距离由被吸引到带电电极的电解质离子的大小决定，这比传统电容器膜材料实现的距离小。这种巨大的表面积，加上极小的电极间距，使得超级电容相比传统电容具有惊人的静电存储能力，这也是它被称为“超级”的重要原因。

电容器的基本功能是充放电，但从基本充放电功能延伸出来的许多电路现象使电容器有了更丰富多彩的用途。在一般电子电路中，常用电容来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移和波形变换等。这些功能是充放电功能的演变。根据超级电容器的特性，它们在能源领域的应用更加广泛，通常用作电池。

●超级电容器的优缺点

与铅酸电池、镍镉电池和锂离子电池相比，超级电容器具有节能、寿命长、安全环保、温度范围宽、无需人工维护等优点。由于超级电容器采用物理方法储存能量，因此超级电容器最重要的特点之一就是功率密度高，可以理解为快速充放电和瞬间吸收或释放极高的能量，这是目前没有电池可以做到的。

或许一切都是不完美的，超级电容器也不例外。它相对致命的弱点之一是能量密度低。所谓能量密度，是指在某个空区间或质量物质中储存的能量大小。比如我们经常使用的5号充电电池，如果它的mAh比较大，就意味着它的能量密度比较高。可以说，与锂离子电池相比，超级电容器的能量密度较低，限制了其在许多领域的应用。
超级电容所应用的领域
●超级电容器的应用领域

了解了超级电容器的一些概况后，我们再来看看目前超级电容器的应用领域。首先，任何新技术的出现和发展往往都会首先应用到军事领域。超级电容器的研发初衷我们不太清楚，但超级电容器在复杂的战场环境中确实有着特殊的优势。前面提到的宽温度范围和高功率密度的特点，可以保证坦克、装甲车等大功率军用车辆的顺利启动，尤其是在寒冷的冬季，其高功率密度的特点也可以作为激光武器的脉冲能量。

在民用领域，超级电容器也发挥着巨大的作用。比如可以作为相机闪光灯的电源，可以使闪光灯达到连续使用的性能，从而提高相机的连拍能力。同时，超级电容器也可以用来控制相机快门。此外，随着电子和能源工业的发展，超级电容器在短期不间断电源系统和太阳能供电系统等免维护系统中发挥着不可替代的作用。

由于超级电容器可以大功率充放电，根据这一特性，超级电容器可以应用于一些车辆，存储列车或公交车的制动能量，并在加速时提供峰值功率输出。由于充放电速度快，在车辆停车上下车时，超级电容器能在短时间内瞬间充满电，足以运行到下一站。这样一来，车辆就不需要携带受电弓，也不再需要沿途架设高压线，无疑降低了建设成本。

由于超级电容器的能量密度远低于锂离子电池，因此在乘用车上单独作为储能装置使用比较困难，但可以与传统内燃机组合形成混合动力系统。 丰田 已经将超级电容器技术应用于其勒芒赛车。由于赛车在刹车瞬间的能量非常大，通过超级跑车高功率密度的特点，可以更高效地回收和储存能量。同时，当赛车需要超车等瞬时高功率时，超级跑车也能满足这样的要求。

目前，在主流的电池技术中，锂电池和超级电容器技术各有优缺点。锂离子电池储能密度高，超级电容器储能密度高。大量的研究工作集中在提高锂离子电池的功率密度或提高超级电容器的储能密度，但挑战是巨大的。但是当我们把两者结合起来，电池就变得越来越完美了。

特别是对于大型乘用车，由于制动瞬间会产生比小型车更多的能量，这部分能量可以被超级电容器很好的吸收。当汽车快速启动或加速时，这部分能量可以通过超级电容器快速释放，平时的低功率能量转换可以通过锂离子电池完成。因此，这种“混搭”电池技术突破了目前某型电池的技术瓶颈，堪称完美。

全文摘要:

尽管超级电容器具有各种优点，但其能量密度低的缺点仍然限制了其在新能源汽车领域的应用。从目前的技术发展水平来看，超级电容器和锂离子电池的结合可以取长补短，基本满足了人们对电池高能量密度和高功率密度的需求。个人认为，基于电容的基本物理结构，很难在能量密度上有所突破，但这并不妨碍其与内燃机形成混合动力系统，在其他领域发挥自身的优势和特长。

@2019