快速充放電的利器 詳解超級電容技術(shù)

“超級電容”聽上去，往往會令人覺得這是個很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(xiàn)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(yīng)用于軍事、新能源汽車以及各種機電設(shè)備中，而當(dāng)其與鋰離子電池組成“交叉火力”時，即可大幅提升儲能元件的各項技術(shù)指標(biāo)，以滿足近乎苛刻的復(fù)雜的使用環(huán)境。

● 超級電容的基本結(jié)構(gòu)

超級電容又叫雙電層電容，從結(jié)構(gòu)上來看，其與電解電容非常相似。簡單來說，如果在電解液中插入兩個電極，并施加一個電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下就會迅速向兩極運動，最終分別在兩個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電極間的距離。傳統(tǒng)電容器的電極表面積就是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，通常都將導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。同時傳統(tǒng)電容器用絕緣材料來分離它的兩個電極，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(jié)構(gòu)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(tǒng)電容的薄膜材料所能實現(xiàn)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(tǒng)電容而言有著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的許多電路現(xiàn)象，使得電容有著更豐富多彩的用途。在一般的電子電路中，常用電容器來實現(xiàn)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(jù)超級電容的種種特性，其更多的被應(yīng)用于能源領(lǐng)域，通常被作為電池來使用。

● 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(jié)能、超長使用壽命、安全、環(huán)保、寬溫度范圍、無需人工維護等優(yōu)點。由于超級電容是采用物理的方法來儲能，所以其最為重要的一個特點就是功率密度很大，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不完美，超級電容亦不例外，它相對致命的一個弱點就是能量密度很低。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，如果其毫安時越大，就代表它的能量密度越高?？梢哉f，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(yīng)用。

● 超級電容所應(yīng)用的領(lǐng)域

在了解了超級電容的一些概況后，我們來看看目前它所應(yīng)用的領(lǐng)域。首先，任何新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展往往會最先應(yīng)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(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，超級電容的確有著特殊的優(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，可以保證坦克、裝甲車等大馬力的軍事車輛的順利啟動，特別是在寒冷的冬季，而它高功率密度的特點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(xù)使用的性能，從而提高照相機連續(xù)拍攝的能力，同時超級電容還可以用來對相機快門進行控制。另外，隨著電子與能源工業(yè)的發(fā)展，超級電容在短時UPS系統(tǒng)、太陽能電源系統(tǒng)等免維護系統(tǒng)上具有不可替代的作用。

由于超級電容能夠進行高功率的充、放電，根據(jù)這一特點，超級電容可以應(yīng)用在一些交通工具上，將列車或者大型客車的剎車能量儲存起來，在加速時提供峰值功率的輸出。由于充、放電速度很快，在車輛進站上下人的短暫時間里，即可瞬間將超級電容充滿電，并且足夠跑到下一個站點。這樣就使得車輛無需背負著受電弓，而且不再需要沿途架設(shè)高壓線，這無疑降低了建設(shè)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(shè)備而運用在乘用車輛上，但是它卻可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機組成混合動力系統(tǒng)。豐田在旗下的勒芒賽車上就應(yīng)用了超級電容技術(shù)，由于賽車在制動瞬間的能量非常大，通過超級電容高功率密度的特點可以更高效的將能量回收存儲起來，同時在賽車需要超車等瞬時大功率的情況下，超級電容同樣可以滿足這樣的要求。

在目前主流的電池技術(shù)上，鋰電池和超級電容技術(shù)可謂各有長短。鋰離子電池能量儲存密度高，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儲存密度這兩個領(lǐng)域，但挑戰(zhàn)十分巨大。但是當(dāng)我們把二者結(jié)合在一起時，這樣的電池就愈加完美了。

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

全文總結(jié)：

雖然超級電容有著種種的優(yōu)點，但是其能量密度低的短板還是限制其在新能源汽車領(lǐng)域一展拳腳。根據(jù)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補短，基本滿足了人們對電池的高能量密度和高功率密度的需求。個人覺得，基于電容的基本物理結(jié)構(gòu)，其很難在能量密度方面有所突破，但是這并不妨礙它與內(nèi)燃機組成混合動力系統(tǒng)以及在其它領(lǐng)域發(fā)揮著自己的優(yōu)勢與特長。