超级电容：储能市场的明日之星

1 关于超级电容

电容器作为储存电能的重要元件，普遍存在于各类电子设备中。为了提升电容量，科学家们不断探索新的技术手段。尽管更换电介质或制作成薄片都未能显著提高电容值，但超级电容的问世彻底改变了这一状况。我馆便藏有几枚备受赞誉的超级电容。与传统电容相比，超级电容的优势在于能够在相对较小的体积内存储数万倍的能量。以本馆展示的四枚火炬电子制造的产品为例，电容值最低为0.06F，最高则达到1.5F，远胜过传统电容的最大值，后者仅在uF（F的百万分之一）级别。

2 揭秘超级电容的“超级”之处

简单来说，传统电容内部电荷仅分布在表面，而无法深入内部空间；而超级电容则采用特殊设计，内部平行金属板上覆盖多孔碳材料，使得电荷得以分布在这些材料的表面。据测算，每克此类多孔碳材料的表面积可超2000平方米。因此，超级电容实现了电荷储存方式从二维向三维的跨越，这便是其“超级”之处。

实际上，超级电容的起源可追溯至140多年前。1879年，德国物理学家亥姆霍兹发现了电化学界面的双电层电容特性，提出了高法拉电容的概念。1957年，贝克取得了首个高比表面积活性炭电极材料的电化学电容器专利，堪称超级电容的早期形态。然而，由于缺乏实际应用场景，该技术并未得到广泛关注。直至1979年，日本NEC公司开始规模化生产超级电容，这一技术才逐步进入人们的视野。

3. “超级”应用：超级电容如何超越传统电池

超级电容以其优异的性能超越诸多传统电池的应用场景。

① 替代动力电池

众所周知，目前主流电动车大多采用锂离子电池，但充电通常需要半个小时至一个小时才能达到70%-80%的电量。然而，超级电容凭借其出色的快速充电能力，只需短短数秒至几分钟便可充满。

例如，2020年上海市种子中心城区的五条主要线路上新增了89辆搭载上海奥威科技开发有限公司生产的超级电容的新型公交车。这些公交车能够一次性储存40度电，能量密度高达100W/kg。得益于此，公交车在短暂停靠期间即可完成充电，并继续行驶至下一站点。充电三分钟即可行驶十公里，满电状态下续航里程可达30公里。此外，2022年9月，全球首艘纯超级电容动力轮渡“新生态”号成功抵达上海，预计将于10月底投入运营于长兴、横沙岛之间的航线上。同样受益于超级电容，该型轮渡实现了充电15分钟，航行一小时的卓越表现。

② 替代储能电池

与锂电池相比，超级电容的循环充电寿命长达50万至100万次，使用寿命可达10年以上。这意味着即使经过漫长岁月，超级电容依然保持着良好的性能。

普通电容器的电容单位通常为皮法（pF，1pF=F）或微法（μF，1pF=F），而超级电容的电容量极为庞大。例如，一个电容为5F的超级电容，加上两个7号电池的电压（3V），其储存的电荷量（15C）堪比一道闪电。

因此，超级电容器在太阳能、风能等清洁能源领域的储能应用具有重要意义。尽管太阳能和风能是无污染且可持续的可再生能源，但由于阴影遮挡、多云天气以及风力风速变化等因素导致其输出不稳定，无法直接接入电网。此时，将电能储存在超级电容器中无疑是最佳选择。这样既有助于推动可持续发展，又因其采用碳材料而非蓄电池，避免了重金属污染等问题，同时还具备超长使用寿命，降低了材料消耗，堪称绿色环保的典范。