超級(jí)電容的基本結(jié)構(gòu)

“超級(jí)電容器”聽起來是個(gè)很棒的家伙。超級(jí)電容器作為一種新型的電能存儲(chǔ)元件，可以彌補(bǔ)目前鋰離子電池功率密度的不足。目前已應(yīng)用于軍事、新能源汽車和各種機(jī)電設(shè)備，與鋰離子電池形成“交叉火力”時(shí)，可大幅提升儲(chǔ)能組件的技術(shù)指標(biāo)，以滿足近乎苛刻復(fù)雜的使用環(huán)境。

●超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器也叫雙電層電容器。結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似。簡(jiǎn)單來說，如果將兩個(gè)電極插入電解液中并施加電壓，那么電解液中的正負(fù)離子會(huì)在電場(chǎng)的作用下迅速向兩極移動(dòng)，最終在兩個(gè)電極表面分別形成閉合的電荷層，即雙電層。

電容取決于電極的表面積和兩個(gè)電極之間的距離。傳統(tǒng)電容器的電極表面積是導(dǎo)體的平坦面積。為了獲得更大的容量，導(dǎo)體材料通常被軋制得很長，有時(shí)其表面積會(huì)因特殊的組織結(jié)構(gòu)而增加。同時(shí)，傳統(tǒng)電容器采用絕緣材料將其兩個(gè)電極隔開，一般為塑料薄膜、紙張等。這些材料也要求盡可能薄。

超級(jí)電容器的電極表面積是基于多孔碳材料，由于其多孔結(jié)構(gòu)而具有非常大的表面積。此外，超級(jí)電容器電極之間的距離由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子的大小決定，這比傳統(tǒng)電容器膜材料實(shí)現(xiàn)的距離小。這種巨大的表面積，加上極小的電極間距，使得超級(jí)電容相比傳統(tǒng)電容具有驚人的靜電存儲(chǔ)能力，這也是它被稱為“超級(jí)”的重要原因。

電容器的基本功能是充放電，但從基本充放電功能延伸出來的許多電路現(xiàn)象使電容器有了更豐富多彩的用途。在一般電子電路中，常用電容來實(shí)現(xiàn)旁路、耦合、濾波、振蕩、相移和波形變換等。這些功能是充放電功能的演變。根據(jù)超級(jí)電容器的特性，它們?cè)谀茉搭I(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，通常用作電池。

●超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)

與鉛酸電池、鎳鎘電池和鋰離子電池相比，超級(jí)電容器具有節(jié)能、壽命長、安全環(huán)保、溫度范圍寬、無需人工維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于超級(jí)電容器采用物理方法儲(chǔ)存能量，因此超級(jí)電容器最重要的特點(diǎn)之一就是功率密度高，可以理解為快速充放電和瞬間吸收或釋放極高的能量，這是目前沒有電池可以做到的。

或許一切都是不完美的，超級(jí)電容器也不例外。它相對(duì)致命的弱點(diǎn)之一是能量密度低。所謂能量密度，是指在某個(gè)空區(qū)間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存的能量大小。比如我們經(jīng)常使用的5號(hào)充電電池，如果它的mAh比較大，就意味著它的能量密度比較高?？梢哉f，與鋰離子電池相比，超級(jí)電容器的能量密度較低，限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。

超級(jí)電容所應(yīng)用的領(lǐng)域

●超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域

了解了超級(jí)電容器的一些概況后，我們?cè)賮砜纯茨壳俺?jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域。首先，任何新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展往往都會(huì)首先應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。超級(jí)電容器的研發(fā)初衷我們不太清楚，但超級(jí)電容器在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中確實(shí)有著特殊的優(yōu)勢(shì)。前面提到的寬溫度范圍和高功率密度的特點(diǎn)，可以保證坦克、裝甲車等大功率軍用車輛的順利啟動(dòng)，尤其是在寒冷的冬季，其高功率密度的特點(diǎn)也可以作為激光武器的脈沖能量。

在民用領(lǐng)域，超級(jí)電容器也發(fā)揮著巨大的作用。比如可以作為相機(jī)閃光燈的電源，可以使閃光燈達(dá)到連續(xù)使用的性能，從而提高相機(jī)的連拍能力。同時(shí)，超級(jí)電容器也可以用來控制相機(jī)快門。此外，隨著電子和能源工業(yè)的發(fā)展，超級(jí)電容器在短期不間斷電源系統(tǒng)和太陽能供電系統(tǒng)等免維護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。

由于超級(jí)電容器可以大功率充放電，根據(jù)這一特性，超級(jí)電容器可以應(yīng)用于一些車輛，存儲(chǔ)列車或公交車的制動(dòng)能量，并在加速時(shí)提供峰值功率輸出。由于充放電速度快，在車輛停車上下車時(shí)，超級(jí)電容器能在短時(shí)間內(nèi)瞬間充滿電，足以運(yùn)行到下一站。這樣一來，車輛就不需要攜帶受電弓，也不再需要沿途架設(shè)高壓線，無疑降低了建設(shè)成本。

由于超級(jí)電容器的能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池，因此在乘用車上單獨(dú)作為儲(chǔ)能裝置使用比較困難，但可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)組合形成混合動(dòng)力系統(tǒng)。豐田已經(jīng)將超級(jí)電容器技術(shù)應(yīng)用于其勒芒賽車。由于賽車在剎車瞬間的能量非常大，通過超級(jí)跑車高功率密度的特點(diǎn)，可以更高效地回收和儲(chǔ)存能量。同時(shí)，當(dāng)賽車需要超車等瞬時(shí)高功率時(shí)，超級(jí)跑車也能滿足這樣的要求。

目前，在主流的電池技術(shù)中，鋰電池和超級(jí)電容器技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。鋰離子電池儲(chǔ)能密度高，超級(jí)電容器儲(chǔ)能密度高。大量的研究工作集中在提高鋰離子電池的功率密度或提高超級(jí)電容器的儲(chǔ)能密度，但挑戰(zhàn)是巨大的。但是當(dāng)我們把兩者結(jié)合起來，電池就變得越來越完美了。

特別是對(duì)于大型乘用車，由于制動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生比小型車更多的能量，這部分能量可以被超級(jí)電容器很好的吸收。當(dāng)汽車快速啟動(dòng)或加速時(shí)，這部分能量可以通過超級(jí)電容器快速釋放，平時(shí)的低功率能量轉(zhuǎn)換可以通過鋰離子電池完成。因此，這種“混搭”電池技術(shù)突破了目前某型電池的技術(shù)瓶頸，堪稱完美。

全文摘要:

盡管超級(jí)電容器具有各種優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度低的缺點(diǎn)仍然限制了其在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。從目前的技術(shù)發(fā)展水平來看，超級(jí)電容器和鋰離子電池的結(jié)合可以取長補(bǔ)短，基本滿足了人們對(duì)電池高能量密度和高功率密度的需求。個(gè)人認(rèn)為，基于電容的基本物理結(jié)構(gòu)，很難在能量密度上有所突破，但這并不妨礙其與內(nèi)燃機(jī)形成混合動(dòng)力系統(tǒng)，在其他領(lǐng)域發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)和特長。