超級(jí)電容的基本結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容又叫雙電層電容，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，其與電解電容非常相似。簡(jiǎn)單來(lái)說，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(fù)離子在電場(chǎng)的作用下就會(huì)迅速向兩極運(yùn)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(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(zhǎng)，有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。同時(shí)傳統(tǒng)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(jí)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(jí)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(shí)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(jí)電容較傳統(tǒng)電容而言有著驚人的靜電存儲(chǔ)容量，這也是其被冠以“超級(jí)”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(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(lái)實(shí)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(jí)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(lái)使用。

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超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

相比鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池，超級(jí)電容具有節(jié)能、超長(zhǎng)使用壽命、安全、環(huán)保、寬溫度范圍、無(wú)需人工維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于超級(jí)電容是采用物理的方法來(lái)儲(chǔ)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不完美，超級(jí)電容亦不例外，它相對(duì)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(chǔ)存能量的大小。比如我們經(jīng)常使用的5號(hào)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，超級(jí)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。

在了解了超級(jí)電容的一些概況后，我們來(lái)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(huì)最先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，超級(jí)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(chǎng)環(huán)境下，超級(jí)電容的確有著特殊的優(yōu)勢(shì)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、裝甲車等大馬力的軍事車輛的順利啟動(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。

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在民用領(lǐng)域，超級(jí)電容也發(fā)揮著巨大的作用。比如可用于照相機(jī)閃光燈的供電，其可以使閃光燈達(dá)到連續(xù)使用的性能，從而提高照相機(jī)連續(xù)拍攝的能力，同時(shí)超級(jí)電容還可以用來(lái)對(duì)相機(jī)快門進(jìn)行控制。另外，隨著電子與能源工業(yè)的發(fā)展，超級(jí)電容在短時(shí)UPS系統(tǒng)、太陽(yáng)能電源系統(tǒng)等免維護(hù)系統(tǒng)上具有不可替代的作用。



由于超級(jí)電容能夠進(jìn)行高功率的充、放電，根據(jù)這一特點(diǎn)，超級(jí)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?jī)?chǔ)存起來(lái)，在加速時(shí)提供峰值功率的輸出。由于充、放電速度很快，在車輛進(jìn)站上下人的短暫時(shí)間里，即可瞬間將超級(jí)電容充滿電，并且足夠跑到下一個(gè)站點(diǎn)。這樣就使得車輛無(wú)需背負(fù)著受電弓，而且不再需要沿途架設(shè)高壓線，這無(wú)疑降低了建設(shè)成本。


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由于超級(jí)電容的能量密度相比鋰離子電池低很多，所以它很難單獨(dú)作為能量存儲(chǔ)設(shè)備而運(yùn)用在乘用車輛上，但是它卻可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)。豐田在旗下的勒芒賽車上就應(yīng)用了超級(jí)電容技術(shù)，由于賽車在制動(dòng)瞬間的能量非常大，通過超級(jí)電容高功率密度的特點(diǎn)可以更高效的將能量回收存儲(chǔ)起來(lái)，同時(shí)在賽車需要超車等瞬時(shí)大功率的情況下，超級(jí)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(jí)電容技術(shù)可謂各有長(zhǎng)短。鋰離子電池能量?jī)?chǔ)存密度高，超級(jí)電容的功率儲(chǔ)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(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存密度這兩個(gè)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(shí)，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(dòng)瞬間會(huì)比小型轎車有更大的能量產(chǎn)生，所以通過超級(jí)電容可以很好的吸收這部分能量，在車輛起步或急加速時(shí)，通過超級(jí)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(zhuǎn)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(xiàn)階段某一種類型的電池在技術(shù)上的瓶頸，堪稱完美。

雖然超級(jí)電容有著種種的優(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領(lǐng)域一展拳腳。根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展水平，超級(jí)電容與鋰離子電池的組合可謂取長(zhǎng)補(bǔ)短，基本滿足了人們對(duì)電池的高能量密度和高功率密度的需求?；陔娙莸幕疚锢斫Y(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(jī)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)以及在其它領(lǐng)域發(fā)揮著自己的優(yōu)勢(shì)與特長(zhǎng)。