自工業(yè)革命以來，人類一直在通過化石燃料的大量燃燒來推動工業(yè)發(fā)展，越來越多的技術(shù)需求讓人類不斷的探索可再生資源，來自可再生能源的能源要在需要時進行存儲和使用，而儲能和積累是可再生能源利用的關(guān)鍵部分。

隨著內(nèi)燃機向電動替代品的過渡，利用電池儲能被推上了風(fēng)口浪尖。特別地，電化學(xué)超級電容器（SC）比電池更受關(guān)注，它的快速存儲能力和增強的循環(huán)穩(wěn)定性在近年來受到廣泛研究，而且其在填補電池與現(xiàn)有電解電容器技術(shù)之間的差距上存在巨大潛力。

圖一 關(guān)于超級電容器研究活動的統(tǒng)計調(diào)查

什么是超級電容器

超級電容器也稱為雙層電容器或電化學(xué)電容器，兩電荷層的距離非常小（一般0.5mm以下），采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。

超級電容器是近年來吸引眾多科學(xué)家關(guān)注的一種新型儲能系統(tǒng)。簡單來說，可以把超級電容器想象成普通電容器和電池的結(jié)合體，只不過，它與這兩者都不一樣。

超級電容器儲能應(yīng)用

超級電容器儲能開發(fā)已有50多年的歷史，近二十年來技術(shù)進步很快，使它的電容量與傳統(tǒng)電容相比大大增加，達到幾千法拉的量級，而且比功率密度可達到傳統(tǒng)電容的十倍。

超級電容器儲能將電能直接儲存在電場中，無能量形式轉(zhuǎn)換，充放電時間快，適合用于改善電能質(zhì)量。由于能量密度較低，適合與其他儲能手段聯(lián)合使用。

超級電容器的種類

超級電容器屬于濕電解電容器的范疇，使用含有離子（帶電配合物）的液體電解質(zhì)來確保電荷傳輸。其根據(jù)儲能原理可分為三大類：

第一類包括了雙電層電容器（EDLC），該種電容器使用液體電解質(zhì)非質(zhì)子性溶劑，如PC、DEC、DME等。

第二類包括了所謂的偽超級電容器（法拉第超級電容器），這種電容器的使用頻率遠低于EDLC超級電容器，在工作原理上更像是一種電池。

第三類為混合超級電容器，這類電容器顧名思義結(jié)合了EDLC和偽超級電容器，具有更高的體積和重量能量密度以及具有提供高電流的能力。

圖二 超級電容器的種類

超級電容器和鋰電池工作原理的差別

超級電容器和電池，它都是電能存儲系統(tǒng)。如果我們看一下鋰離子電池，它完全依賴于化學(xué)反應(yīng)。它由正極和負極組成，技術(shù)上稱為陽極和陰極。

這兩側(cè)浸沒在液體電解質(zhì)中，并由微孔隔板隔開，只允許離子通過。在鋰電池充放電期間，離子傾向于在陽極和陰極之間來回流動。

當(dāng)這些離子轉(zhuǎn)移的時候會導(dǎo)致電池發(fā)熱、膨脹，然后收縮。這些反應(yīng)會逐漸使電池退化，從而導(dǎo)致電池壽命縮短。然而，鋰電池技術(shù)的一個顯著優(yōu)勢是它具有非常高的比能量或能量密度，可以儲存能量供以后使用。

鋰離子電池工作原理

但超級電容器不同：它不依賴于化學(xué)作用來發(fā)揮作用。相反，它在其中以靜電方式存儲電能。超級電容器在它的極板之間使用電介質(zhì)或絕緣體來分離在每一側(cè)極板上積聚的正(+ve)和負(-ve)電荷。正是這種分離使設(shè)備能夠存儲能量并快速釋放能量。

它基本上可以捕獲靜電以備將來使用。這樣做最顯著的優(yōu)勢是，現(xiàn)在的3V電容器在15-20年后仍將是3V電容器。相反，鋰離子電池可能會隨著時間的推移和重復(fù)使用失去電壓容量。? ? ?

超級電容器工作原理

此外，與鋰電池同，超級電容器具有更高的功率吞吐量，這意味著它可以在很短的時間內(nèi)充電和放電。盡管如此，與電池相比，它的比能量非常低。超級電容器最適合容量較小但是功率爆發(fā)的應(yīng)用場合。

超級電容器和鋰電池相比有哪些優(yōu)勢

超級電容器圖片

這個問題的答案在很大程度上取決于它的應(yīng)用場合。每種儲能技術(shù)都有一些明顯的優(yōu)點和缺點。如前所述，鋰電池的能量密度比超級電容器高得多。

這意味著電池更適合更高能量密度的應(yīng)用，例如，設(shè)備需要在一次充電后長時間運行的應(yīng)用。另一方面，超級電容器的功率密度比電池高得多。這使得它非常適合為電動汽車供電等高耗電應(yīng)用。

超級電容器的壽命也比電池長得多。普通鋰電池可以處理大約2000-3000次充電和放電循環(huán)，而超級電容器通常可以維持超過100萬次充放電，這樣它可以節(jié)省大量的材料和成本。

超級電容器可以在幾秒鐘內(nèi)充電，與依賴內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)并因此很快磨損的化學(xué)電池不同，超級電容器不會隨著時間的推移而退化。今天的2.7伏超級電容器將在15年后成為2.7伏超級電容器。相比之下，當(dāng)前所有的電池設(shè)計都會逐漸降低性能，這意味著您今天的12伏電池可能在短短三年內(nèi)變成11.4伏電池。

雖然與鋰電池重量相同的超級電容器可以容納更多電力，但其瓦特/千克（功率密度）比鋰離子電池高出10倍。然而，超級電容器無法緩慢放電意味著其瓦特小時/千克（能量密度）只有鋰離子電池的一小部分。

儲能機制

SC的能量存儲機制可以用三種類型的電容行為來解釋：

（1）電化學(xué)雙電層電容器（EDLC）使用在電極界面處積累的純電荷

（2）偽電容（PC）從快速和可逆的表面氧化還原過程發(fā)展而來，

（3）混合電容器利用上述兩種機制

電化學(xué)雙層電容器

EDLC的有效表面空間最大，電荷分離距離最小，和傳統(tǒng)電容器相比具有更高的能量密度。EDLC最初為亥姆霍茲模型（相反的電荷在電極/電解質(zhì)界面處分層，并按原子距離分開，類似于兩板式傳統(tǒng)電容器）。

而后，被修改為擴散層模型（此時，當(dāng)點電荷靠近電極表面時，大幅度的電容會隨著點電荷的增加而上升），最終解釋為二者的組合模型。

EDLC在規(guī)劃器電極表面的導(dǎo)電性由電極和電解質(zhì)上的電場以及它們之間的化學(xué)親和力控制。由于電極具有多孔結(jié)構(gòu)的高比面積，因此EDLC行為高度依賴于孔隙率。

因此，受限系統(tǒng)中顆粒的運輸受到諸如曲折傳質(zhì)路徑的親和力，孔隙內(nèi)的面積約束，與溶液相關(guān)的電現(xiàn)象以及溶液的孔隙表面潤濕性等因素的關(guān)鍵控制。

圖三 由多孔電極材料制成的EDLC的示意圖

偽電容

PC機制基于法拉第電荷過程（通過化學(xué)物質(zhì)的氧化或還原在電極界面上的電子轉(zhuǎn)移），該過程可以是可逆的或不可逆的。在可逆過程中，在化學(xué)反應(yīng)（氧化/還原）過程中不會產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，并且在不可逆的法拉第過程中產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)。

電解質(zhì)和固體材料之間的相互作用涉及法拉第反應(yīng)，以反映電荷轉(zhuǎn)移的機制，通常也會涉及到表面吸附，依賴于表面機理。

優(yōu)勢及發(fā)展方向

（1）? 超級電容器在相同體積下可以提供數(shù)百到數(shù)千倍的功率，可適用于那些需要功率突發(fā)但不需要高能量存儲容量的應(yīng)用；

（2）? 其不僅可以在幾秒鐘之內(nèi)放電，還可以在很短的時間內(nèi)充電，對于能量回收系統(tǒng)來說是非常重要的一個優(yōu)勢；

（3）? 由于其內(nèi)部的電荷存儲機制，超級電容器可以承受數(shù)百萬次的循環(huán)，具有循環(huán)壽命；

（4）? 在高功率額定充放電中，超級電容器比普通電池更安全。

表1 電化學(xué)儲能技術(shù)比較表

表2 電池和超級電容器之間的比較

關(guān)于未來超級電容器的發(fā)展應(yīng)關(guān)注以下幾點：

1.? 為了避免電解質(zhì)的化學(xué)分解，現(xiàn)有電容器電池的工作電壓較低

2.? 基于現(xiàn)有的鋰離子電池，研制開發(fā)出混合鋰離子超級電容器，以更新替換掉傳統(tǒng)鋰離子電池

3.? 著重解決超級電容器低能量密度和高價格的限制問題

4.? 除技術(shù)因素外，還要考慮在進行工業(yè)化生產(chǎn)過程中的基礎(chǔ)建設(shè)、可持續(xù)發(fā)展等問題

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：什么是超級電容器？與鋰電池儲能有何不同？