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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(dòng)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(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)和使用，而儲(chǔ)能和積累是可再生能源利用的關(guān)鍵部分。

隨著內(nèi)燃機(jī)向電動(dòng)替代品的過渡，利用電池儲(chǔ)能被推上了風(fēng)口浪尖。特別地，電化學(xué)超級(jí)電容器（SC）比電池更受關(guān)注，它的快速存儲(chǔ)能力和增強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性在近年來受到廣泛研究，而且其在填補(bǔ)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(jí)電容器研究活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查

什么是超級(jí)電容器

超級(jí)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?。ㄒ话?.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(jí)電容器是近年來吸引眾多科學(xué)家關(guān)注的一種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)。簡(jiǎn)單來說，可以把超級(jí)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(jí)電容器儲(chǔ)能應(yīng)用

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

超級(jí)電容器儲(chǔ)能將電能直接儲(chǔ)存在電場(chǎng)中，無能量形式轉(zhuǎn)換，充放電時(shí)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(chǔ)能手段聯(lián)合使用。

超級(jí)電容器的種類

超級(jí)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(chǔ)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(jí)電容器（法拉第超級(jí)電容器），這種電容器的使用頻率遠(yuǎn)低于EDLC超級(jí)電容器，在工作原理上更像是一種電池。

第三類為混合超級(jí)電容器，這類電容器顧名思義結(jié)合了EDLC和偽超級(jí)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(jí)電容器的種類

超級(jí)電容器和鋰電池工作原理的差別

超級(jí)電容器和電池，它都是電能存儲(chǔ)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(fù)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(dòng)。

當(dāng)這些離子轉(zhuǎn)移的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)熱、膨脹，然后收縮。這些反應(yīng)會(huì)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(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它具有非常高的比能量或能量密度，可以儲(chǔ)存能量供以后使用。

鋰離子電池工作原理

但超級(jí)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(chǔ)電能。超級(jí)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(fù)(-ve)電荷。正是這種分離使設(shè)備能夠存儲(chǔ)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(shì)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(huì)隨著時(shí)間的推移和重復(fù)使用失去電壓容量。     

超級(jí)電容器工作原理

此外，與鋰電池同，超級(jí)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(shí)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(jí)電容器最適合容量較小但是功率爆發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)合。

超級(jí)電容器和鋰電池相比有哪些優(yōu)勢(shì)

超級(jí)電容器圖片

這個(gè)問題的答案在很大程度上取決于它的應(yīng)用場(chǎng)合。每種儲(chǔ)能技術(shù)都有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如前所述，鋰電池的能量密度比超級(jí)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用。另一方面，超級(jí)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(dòng)汽車供電等高耗電應(yīng)用。

超級(jí)電容器的壽命也比電池長(zhǎng)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(jí)電容器通?？梢跃S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(jí)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(jí)電容器不會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。今天的2.7伏超級(jí)電容器將在15年后成為2.7伏超級(jí)電容器。相比之下，當(dāng)前所有的電池設(shè)計(jì)都會(huì)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(jí)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(jí)電容器無法緩慢放電意味著其瓦特小時(shí)/千克（能量密度）只有鋰離子電池的一小部分。

儲(chǔ)能機(jī)制

SC的能量存儲(chǔ)機(jī)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(jī)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(kuò)散層模型（此時(shí)，當(dāng)點(diǎn)電荷靠近電極表面時(shí)，大幅度的電容會(huì)隨著點(diǎn)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(chǎng)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(yùn)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(rùn)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(jī)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(huì)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(jī)制，通常也會(huì)涉及到表面吸附，依賴于表面機(jī)理。

優(yōu)勢(shì)及發(fā)展方向

（1）  超級(jí)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(chǔ)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(shí)間內(nèi)充電，對(duì)于能量回收系統(tǒng)來說是非常重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)；

（3）  由于其內(nèi)部的電荷存儲(chǔ)機(jī)制，超級(jí)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(jí)電容器比普通電池更安全。

表1 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)比較表

表2 電池和超級(jí)電容器之間的比較

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

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(jí)電容器，以更新替換掉傳統(tǒng)鋰離子電池

3.  著重解決超級(jí)電容器低能量密度和高價(jià)格的限制問題

4.  除技術(shù)因素外，還要考慮在進(jìn)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