快速充放電的利器 詳解超級電容技術(shù)

“超級電容”聽(tīng)上去，往往會(huì )令人覺(jué)得這是個(gè)很NB的家伙，作為一種新型的電能存儲元件，超級電容可以彌補現階段鋰離子電池在功率密度等方面的不足。目前，它已經(jīng)應用于軍事、新能源汽車(chē)以及各種機電設備中，而當其與鋰離子電池組成“交叉火力”時(shí)，即可大幅提升儲能元件的各項技術(shù)指標，以滿(mǎn)足近乎苛刻的復雜的使用環(huán)境。

● 超級電容的基本結構

超級電容又叫雙電層電容，從結構上來(lái)看，其與電解電容非常相似。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果在電解液中插入兩個(gè)電極，并施加一個(gè)電壓，這時(shí)電解液中的正、負離子在電場(chǎng)的作用下就會(huì )迅速向兩極運動(dòng)，最終分別在兩個(gè)電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。

電容的大小取決于電極表面積的大小和兩個(gè)電極間的距離。傳統電容器的電極表面積就是導體的平板面積，為了獲得較大的容量，通常都將導體材料卷制得很長(cháng)，有時(shí)用特殊的組織結構來(lái)增加它的表面積。同時(shí)傳統電容器用絕緣材料來(lái)分離它的兩個(gè)電極，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料也都要求盡可能的薄。

超級電容的電極表面積是基于多孔的炭材料，該材料的多孔結構使其表面積非常大，而且超級電容的電極間距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的，該距離和傳統電容的薄膜材料所能實(shí)現的距離更小。這種龐大的表面積，再加上非常小的電極間距，使得超級電容較傳統電容而言有著(zhù)驚人的靜電存儲容量，這也是其被冠以“超級”的重要原因。

電容的基本作用就是充電與放電，但由基本充、放電作用所延伸出來(lái)的許多電路現象，使得電容有著(zhù)更豐富多彩的用途。在一般的電子電路中，常用電容器來(lái)實(shí)現旁路、耦合、濾波、振蕩、相移以及波形變換等，這些作用都是充、放電功能的演變。而根據超級電容的種種特性，其更多的被應用于能源領(lǐng)域，通常被作為電池來(lái)使用。

● 超級電容的優(yōu)劣勢

相比鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池，超級電容具有節能、超長(cháng)使用壽命、安全、環(huán)保、寬溫度范圍、無(wú)需人工維護等優(yōu)點(diǎn)。由于超級電容是采用物理的方法來(lái)儲能，所以其最為重要的一個(gè)特點(diǎn)就是功率密度很大，我們可以將其理解為充、放電迅速且可以瞬間吸收或釋放極高的能量，這也是目前任何電池都做不到的。

或許任何事物都存在著(zhù)不完美，超級電容亦不例外，它相對致命的一個(gè)弱點(diǎn)就是能量密度很低。所謂的能量密度就是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中所儲存能量的大小。比如我們經(jīng)常使用的5號充電電池，如果其毫安時(shí)越大，就代表它的能量密度越高?？梢哉f(shuō)，超級電容相比鋰離子電池較低的能量密度，限制了其在很多領(lǐng)域的應用。

● 超級電容所應用的領(lǐng)域

在了解了超級電容的一些概況后，我們來(lái)看看目前它所應用的領(lǐng)域。首先，任何新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展往往會(huì )最先應用于軍事領(lǐng)域，超級電容的研發(fā)初衷是不是亦如此，我們不甚了解，但是在復雜的戰場(chǎng)環(huán)境下，超級電容的確有著(zhù)特殊的優(yōu)勢存在。前面所提到的寬溫度范圍（通常在-40℃-65℃之間）以及高功率密度的特點(diǎn)，可以保證坦克、裝甲車(chē)等大馬力的軍事車(chē)輛的順利啟動(dòng)，特別是在寒冷的冬季，而它高功率密度的特點(diǎn)還可作為激光武器的脈沖能源。

在民用領(lǐng)域，超級電容也發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。比如可用于照相機閃光燈的供電，其可以使閃光燈達到連續使用的性能，從而提高照相機連續拍攝的能力，同時(shí)超級電容還可以用來(lái)對相機快門(mén)進(jìn)行控制。另外，隨著(zhù)電子與能源工業(yè)的發(fā)展，超級電容在短時(shí)UPS系統、太陽(yáng)能電源系統等免維護系統上具有不可替代的作用。

由于超級電容能夠進(jìn)行高功率的充、放電，根據這一特點(diǎn)，超級電容可以應用在一些交通工具上，將列車(chē)或者大型客車(chē)的剎車(chē)能量?jì)Υ嫫饋?lái)，在加速時(shí)提供峰值功率的輸出。由于充、放電速度很快，在車(chē)輛進(jìn)站上下人的短暫時(shí)間里，即可瞬間將超級電容充滿(mǎn)電，并且足夠跑到下一個(gè)站點(diǎn)。這樣就使得車(chē)輛無(wú)需背負著(zhù)受電弓，而且不再需要沿途架設高壓線(xiàn)，這無(wú)疑降低了建設成本。

由于超級電容的能量密度相比鋰離子電池低很多，所以它很難單獨作為能量存儲設備而運用在乘用車(chē)輛上，但是它卻可以與傳統內燃機組成混合動(dòng)力系統。豐田在旗下的勒芒賽車(chē)上就應用了超級電容技術(shù)，由于賽車(chē)在制動(dòng)瞬間的能量非常大，通過(guò)超級電容高功率密度的特點(diǎn)可以更高效的將能量回收存儲起來(lái)，同時(shí)在賽車(chē)需要超車(chē)等瞬時(shí)大功率的情況下，超級電容同樣可以滿(mǎn)足這樣的要求。

在目前主流的電池技術(shù)上，鋰電池和超級電容技術(shù)可謂各有長(cháng)短。鋰離子電池能量?jì)Υ婷芏雀?，超級電容的功率儲存密度高，大量的研究工作集中于提高鋰離子電池的功率密度或增加超級電容的能量?jì)Υ婷芏冗@兩個(gè)領(lǐng)域，但挑戰十分巨大。但是當我們把二者結合在一起時(shí)，這樣的電池就愈加完美了。

特別是在大型客車(chē)方面，由于制動(dòng)瞬間會(huì )比小型轎車(chē)有更大的能量產(chǎn)生，所以通過(guò)超級電容可以很好的吸收這部分能量，在車(chē)輛起步或急加速時(shí)，通過(guò)超級電容又可以將這部分能量迅速釋放掉，而在平時(shí)小功率的能量轉換時(shí)，又可以依靠鋰離子電池來(lái)完成，所以這種“混搭”的電池技術(shù)突破了現階段某一種類(lèi)型的電池在技術(shù)上的瓶頸，堪稱(chēng)完美。

全文總結：

雖然超級電容有著(zhù)種種的優(yōu)點(diǎn)，但是其能量密度低的短板還是限制其在新能源汽車(chē)領(lǐng)域一展拳腳。根據目前的技術(shù)發(fā)展水平，超級電容與鋰離子電池的組合可謂取長(cháng)補短，基本滿(mǎn)足了人們對電池的高能量密度和高功率密度的需求。個(gè)人覺(jué)得，基于電容的基本物理結構，其很難在能量密度方面有所突破，但是這并不妨礙它與內燃機組成混合動(dòng)力系統以及在其它領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)自己的優(yōu)勢與特長(cháng)。