自工業革命以來，人類一直在通過化石燃料的大量燃燒來推動工業發展，越來越多的技術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鍵部分。
隨著內燃機向電動替代品的過渡，利用電池儲能被推上了風口浪尖。特別地，電化學超級電容器（SC）比電池更受關注，它的快速存儲能力和增強的循環穩定性在近年來受到廣泛研究，而且其在填補電池與現有電解電容器技術之間的差距上存在巨大潛力。
圖一 關于超級電容器研究活動的統計調查
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），采用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍的增加，從而產生極大的電容量。
超級電容器是近年來吸引眾多科學家關注的一種新型儲能系統。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合體，只不過，它與這兩者都不一樣。
超級電容器儲能應用
超級電容器儲能開發已有50多年的歷史，近二十年來技術進步很快，使它的電容量與傳統電容相比大大增加，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，無能量形式轉換，充放電時間快，適合用于改善電能質量。由于能量密度較低，適合與其他儲能手段聯合使用。
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）的液體電解質來確保電荷傳輸。其根據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非質子性溶劑，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。如果我們看一下鋰離子電池，它完全依賴于化學反應。它由正極和負極組成，技術上稱為陽極和陰極。
這兩側浸沒在液體電解質中，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。
當這些離子轉移的時候會導致電池發熱、膨脹，然后收縮。這些反應會逐漸使電池退化，從而導致電池壽命縮短。然而，鋰電池技術的一個顯著優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：它不依賴于化學作用來發揮作用。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或絕緣體來分離在每一側極板上積聚的正(+ve)和負(-ve)電荷。正是這種分離使設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。這樣做最顯著的優勢是，現在的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的應用場合。
超級電容器和鋰電池相比有哪些優勢
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用場合。每種儲能技術都有一些明顯的優點和缺點。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用，例如，設備需要在一次充電后長時間運行的應用。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，而超級電容器通常可以維持超過100萬次充放電，這樣它可以節省大量的材料和成本。
超級電容器可以在幾秒鐘內充電，與依賴內部化學反應并因此很快磨損的化學電池不同，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，當前所有的電池設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展而來，
（3）混合電容器利用上述兩種機制
電化學雙層電容器
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/電解質界面處分層，并按原子距離分開，類似于兩板式傳統電容器）。
而后，被修改為擴散層模型（此時，當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在規劃器電極表面的導電性由電極和電解質上的電場以及它們之間的化學親和力控制。由于電極具有多孔結構的高比面積，因此EDLC行為高度依賴于孔隙率。
因此，受限系統中顆粒的運輸受到諸如曲折傳質路徑的親和力，孔隙內的面積約束，與溶液相關的電現象以及溶液的孔隙表面潤濕性等因素的關鍵控制。
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（通過化學物質的氧化或還原在電極界面上的電子轉移），該過程可以是可逆的或不可逆的。在可逆過程中，在化學反應（氧化/還原）過程中不會產生新的化學物質，并且在不可逆的法拉第過程中產生新的化學物質。
電解質和固體材料之間的相互作用涉及法拉第反應，以反映電荷轉移的機制，通常也會涉及到表面吸附，依賴于表面機理。
優勢及發展方向
（1）? 超級電容器在相同體積下可以提供數百到數千倍的功率，可適用于那些需要功率突發但不需要高能量存儲容量的應用；
（2）? 其不僅可以在幾秒鐘之內放電，還可以在很短的時間內充電，對于能量回收系統來說是非常重要的一個優勢；
（3）? 由于其內部的電荷存儲機制，超級電容器可以承受數百萬次的循環，具有循環壽命；
（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 電化學儲能技術比較表
表2 電池和超級電容器之間的比較
關于未來超級電容器的發展應關注以下幾點：
1.? 為了避免電解質的化學分解，現有電容器電池的工作電壓較低
2.? 基于現有的鋰離子電池，研制開發出混合鋰離子超級電容器，以更新替換掉傳統鋰離子電池
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.? 除技術因素外，還要考慮在進行工業化生產過程中的基礎建設、可持續發展等問題
原文始發于微信公眾號（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？