超级电容器无声功率背后的惊人故事和技术

电容器由两个金属板或导体组成，这些金属板或导体由绝缘体（例如空气或塑料或陶瓷制成的薄膜）隔开。在充电过程中，电子在一个导体上积累并从另一个导体上离开。使用正常的制造实践，传统电容器的能量储存受到物理定律的限制，而这正是 Robert A. Rightmire 的发明为高能量储存开辟了新途径的地方。

超级电容器电池基本上由两个电极、一个隔膜和一个电解质组成。电极由作为高导电部分的金属集电器和作为高表面积部分的活性材料（金属氧化物、碳和石墨是最常用的）组成。两个电极由允许带电离子移动但禁止电导的膜隔开。该系统浸渍有电解质（图 01）。两个碳片和隔板的几何尺寸设计为具有非常高的表面积。由于其结构，高度多孔的碳可以存储比任何其他电解电容器更多的能量。

当向正极板施加电压时，它会从电解质中吸引负离子，当向负极板施加电压时，它会从电解质中吸引正离子。结果，离子层在板的两侧形成所谓的“双层”形成，导致离子储存在碳表面附近。这种机制使超级电容器能够在很短的时间内存储和恢复高能量。

有源部分的表面是超级电容器容量的关键，据我们所知，增加表面积会增加容量。超级电容器技术中特别有趣和令人兴奋的是引入纳米技术所提供的可能性。一个例子是用数十亿纳米管的薄层代替传统的活性碳层。每个纳米管就像一个均匀的中空圆柱体，直径为 5nm，长 100um，垂直生长在导电电极上，通过使用数十亿个它们，可以达到极高密度的容量水平。

超级电容器会取代电池吗？

继 Elon Musk 在 2011 年清洁技术论坛上的演讲之后，人们对超级电容器产生了浓厚的兴趣，并且可以肯定的是，纳米技术提供的潜力让人们寄予厚望，即在未来的某个时候，超级电容器可能会达到与电池性能相当的地步。 如图 02 所示，描绘了不同类型储能设备的能量与功率密度，目前燃料电池、电池、超级电容器和传统电容器的性能水平不重叠。然而，它们是互补的，最近的技术进步正在缩小电池和超级电容器之间的差距。

然而，最近的技术进步正在缩小电池和超级电容器之间的差距。

这些技术中的每一种都有其优点和缺点，电源设计人员在开发电源系统时会考虑这些优点和缺点。在图 03 中，我们比较了锂离子电池和超级电容器的关键参数，很明显超级电容器的关键优势之一是其极高的可循环性，这意味着它几乎可以无限次充电和放电，对于具有明确的、更短的生命周期的电化学电池来说，这种情况不太可能发生。

老化也有利于超级电容器。在正常情况下，从最初的 100% 容量开始，它们在 10 年内仅损失 20%，这远高于任何电池所能达到的水平。对于必须在恶劣环境中为系统供电的系统设计人员而言，超级电容器将在极低至极高的温度下运行而不会退化，而我们知道电池并非如此。不利的一面是，超级电容器在 30 到 40 天内从 100% 放电到 50%，而同期铅和锂基电池的自放电率约为 5%，但技术每天都在进步，超级电容器正在变得越来越好。

随着对可再生能源的需求不断增长以及与储能相关的问题，关于建造大型锂离子电池组背后的原因的问题越来越多。我们都知道，这些电池的使用寿命有限，但除了消耗宝贵的原材料外，它们还不容易回收，并且存在相关的环境风险。这就是研究非常有趣的地方，萨里大学和布里斯托大学在 2018 年 2 月就聚合物材料的开发提出的披露很有吸引力。当行业标准为 0.3F/cm2 时，它们实现了高达 4F/cm2 的实用电容值，并有望在不久的将来达到 11-20F/cm2。当达到这样的容量水平时，我们将能够谈论 180Wh/kg，这类似于锂离子电池。

超级电容器的研究水平确实令人印象深刻，而且差距正在缩小。这将发生多快仍然未知，但考虑到申请的专利数量、提交的论文和行业兴趣，应该不会花太长时间。

他们默默地做这项工作

超级电容器几乎无处不在，几乎不可能列出详尽的应用清单。从上海公交车实验到运行仅由超级电容器供电的公交车队，再到智能电表和收集能源，它们无处不在。

可以肯定的是，它们能够维持高充电和放电周期，使其成为私人和公共电动车辆以及港口起重机等机械积累和再利用能源的理想选择。但在许多应用中，当设计人员需要峰值功率时，他们就在那里。

如果您是发烧友，您的音频放大器可能包含一个超级电容器组，当 Ferruccio Furlanetto 在唐吉诃德 （Don Quichotte） 中发出深沉的音符时，它能够为您的低音扬声器提供数千瓦的峰值功率。如果你家里有一个智能电表，它很可能包含一个超级电容器，能够在通过 GPRS 模块传输存储的数据时提供峰值功率。再说一次，如果您是兰博基尼“Terzo Millennio”项目的技术极客，您会注意到超级电容器在这款非常特殊的电动跑车的机动化中所扮演的重要角色。

超级电容器的无声力量

安全性是超级电容器的另一个好处，这就是为什么在受限环境中需要备用或峰值功率时，它们是首选的原因。在恶劣或密闭环境中运行的关键应用在化学和其他危险风险方面受到严格监管，减少或禁止使用某些类型的电池，例如锂离子电池。出于安全原因，这些应用程序必须有足够长的备用电源来运行警报和安全关闭过程。在如此艰苦的条件下，传统电池被超级电容器组所取代，对于一般应用，超级电容器组的值可能从几法拉到 200 法拉。

接下来会发生什么？

正如我们所见，超级电容器技术发展非常迅速。储能问题带来的挑战很可能是我们将看到纳米技术在超级电容器中实施的更直接好处的领域。

结束本文的一个例子是中佛罗里达大学进行的一项非常有趣的研究，该研究将配电电缆与超级电容器的容量相结合。纳米科学技术中心的助理教授 Jayan Thomas 找到了一种改进常规铜线的方法，将其转变为超级电容器电缆。基于纳米晶须技术，它可以将标准铜线转变为能够存储和输送大量电力的超级电容器。

因此，在某种程度上，超级电容器正在成为未来最有希望的组件。许多电源设计人员已经在实施基于超级电容器的电源解决方案，但考虑到研究的速度以及人类因气候变化而面临的巨大挑战，在不久的将来，超级电容器将成为现代电源解决方案的核心。

审核编辑：郭婷