超级电容工作原理及其缺陷

在储能圈里待久了，你一定会听到过超级电容。Tesla Motors公司首席执行官Elon Musk说他相信电容甚至会替代电池。

为什么超级电容这项技术前景一片光明呢？如果超级电容如此之好，为什么到目前为止他们在储能器械的应用领域，如电动车和电网，表现不如电池呢？

简言之，超级电容在提供急速上升的电力方面是最好的器械之一。因为超级电容是通过电场而不是化学反应存储能量，所以它可以比电池承受更多的充放电。

更全面的解释着眼于将超级电容与普通电容器和电池进行比较。由此，我们将一一了解超级电容自身的优缺点，了解怎样来提高电池的效用，而不是与之竞争，以及提高超级电容技术所面临的机会何在。

电容101

一个普通的电容包括两块由绝缘体（如空气或塑料、陶瓷膜）隔开金属片或导体（通常为铝）。充电时，电子摆脱其中一侧的导体，向其中另一侧的导体聚集。这样，就形成了一侧带正电，另一侧带负电。

带负电的电子趋于向正极集中，但无法通过不导电的绝缘体（多数时候，会有一些漏电）。趋于互相平衡（中和）的正负电荷分离就形成了所谓的电场。当电子获得路径移动至另一端的时候，换句话说，当平衡被恢复的时候，就形成了放电。

让超级电容变强大

超级电容也有两块金属片，但其外面有海绵状的多空材料，即活性炭涂层。他们被浸没在正负离子溶于溶剂的电解液中。一块碳涂层板或电极为正，另一块为负。加载电荷后，电解液中的离子各自集聚在碳涂层板的表面。

像电容一样，相反电荷的离子隔开后产生电场，超级电容利用电场存储能量。回想一下电解液便是如此，其中的等量的正负离子一致散开。还有在电容中，也使正电荷在一侧，负电荷在另一侧。同样，在超级电容中，当两块金属片被施以电压（即充电）后，电荷建立于两极，一极为正，一极为负。这就使得两极各自吸引相反的电荷。

但对超级电容来说，每一个碳极在其表面有两层电荷（超级电容被称之为双层电容）。麻省理工学院电磁和电子系统试验室的John Kassakian向我解释说：“实际上，一个超级电容相当于两个串联的普通电容，每一极就是一个普通电容。”

麻省理工学院电磁和电子系统试验室的另一名教授兼试验室的副主任Joel Schindall解释说，在放电期间，金属片上的电荷随电子流经外部回路而减少。他说：“离子不再被强力的吸在金属片上。他们摆脱后再次均匀分布于电解液中。”

超级电容的优势

和普通电容和超级电容不同，电池通过化学反应存储能量。离子实际上是被塞进电极的原子结构中（在超级电容中，离子仅仅是吸附）。Schindall解释说这是一个很重要的特征，因为不通过化学反应储能使得超级电容的充放电速度大大优于电池。而且电容没有化学反应引起的损耗，所以可以用的时间可以更长。（见前文《为什么锂离子电池的寿命如此之短》）

一般电容和超级电容都存在电荷分离。但在一般电容中，分离电荷间的距离不会小于两片金属片间的距离。他们之间的距离非常近，大约几十个微米，但是受制于中间陶瓷膜或纸膜的厚度（一微米等于前分之一毫米）。在超级电容中，离子和带相反电荷的电极之间的距离非常小，需要用纳米（千分之一微米）计算。

我们为什么关心这个距离呢？电场的大小和分离距离成反比。超级电容中分离电荷之间的距离越小，形成电场的越大，储存能力也就越大。

这只是超级电容比一般电容储能多的部分原因。活性炭材料也是关键。根据Schindall介绍，它非常像海绵，所以其表面积比裸金属的线性表面的面积要大10万到100万倍。简言之，活性炭表面所有的犄角旮旯可以使更多的离子吸附在电极上。

超级电容的度量

电极表面积使得超级电容不同寻常，超级电容在一定电压下吸引的电荷量亦如此。电容量是比较电容性能不同的主要度量，以法拉计算（以法拉以化学家和物理学家迈克尔.法拉第的姓名命名）。

现在，法拉是一个非常巨大的度量衡。Schindall说：“这就像用光年衡量距离。”所以微法拉（百万份之一法拉）和皮法拉（百万份之一微法拉）更为常见。

举例来说，D型电池大小电容的电容量仅20微法。但类似大小的超级电容的电容量为300法拉。也就是说，在同等电压下，理论上超级电容存电量可比一般电容大1500万倍。

但是超级电容也遇到一些挑战。典型的20微法的电容可以接受最高300伏的电压，而超级电容只可接受2.7伏的电压。如果电压升高，电解液就开始分解。所以实际上，我们谈论的超级电容可以存储的电量约为大小类似的普通电容存储量的1500倍。

超级电容与电池配合

和普通电容比较，超级电容向前迈了一大步，但超级电容在储能能力发面仍落后于电池。超级电容（单位能量比电池贵）只可以存储类似锂离子电池5%的电量。Schindall还介绍说这一特点对许多应用来说是致命的缺点。

举例来说，在手机中使用超级电容替代锂离子电池在技术上是可能，也会带来显著的好处。Schindall介绍说，你将不需要更换手机里的超级电容，手机充电会非常快。但在当今的超级电容技术条件下，手机带电时间不会很长，短的时候90分钟，长的时候5个小时。

Schindall又解释说，超级电容在接收或释放电涌方面却非常有效，这使得其他们可以和锂离子电池很好的配合。比如电动车，超级电容可以提供加速所需的电力，而电池提供行程所需能量，并在电涌间隙为超级电容反复充电。

让我们这样来想象一下，超级电容就像一个大嘴的小桶，水可以很快的流进流出，但是里面水不多。电池就像一个小嘴的大桶，它能够装进多得多的水，但是流进流出需要很长时间。小桶可以提供短时间的电涌（可以比作很多水），然后逐渐用大桶再将其装满，Schindall解释说。

超级电容的应用

Schindall认为已经有几家电动车厂商将超级电容用于加速。超级电容也被应用于其它数百项产品中，包括移动电话基站、闹钟（作为备用电源）、音频系统等等。

Schindall解释说，对大多数音乐来说，带有大功率扬声器的高端音频系统用1瓦的扩音器就可以了。但随着引入定音鼓，需要1千瓦的电涌。用1瓦的电源加上1个超级电容就可以应对用电峰值。

超级电容在电网中也可能发挥相同的作用。如今的输电线路并非满负荷运转，这样做是为了应付电能高峰。超级电容可以用作吸收电涌、存储电能，从而使得输电线路接近满负荷运转。

这似乎看上去不怎么样，特别是考虑到需要仓库大小的地方存放超级电容。但Schindall说，安装超级电容应对电能高峰实际上会比新增加5%的输电线路能力要便宜得多。

在汽车领域，超级电容可以在不断增长的微型混合动力车市场发挥作用。微型混合动力车挂空档时熄灭引擎。Schindall在一封邮件中解释说“在“启动-熄火”系统中，超级电容可以在熄火时（为各种灯具、收音机、空调等）提供电力。它还可以为再次启动提供电力，并在下次行驶前的间隔期充电。”

如何构建更好的超级电容

 有两种提高超级电容性能的基本方法，即一是增加金属板涂层表面积，二是增加器件可以应对的最大电压。

这又再次让我们想起法拉第。以法拉衡量的电容量是器件在某一电压下可以留住的电能大小。增加电压，就会增加器件留住的能量（能量等于电容量除以二再乘以电压的二次方）。

Schindall正在使用碳纳米管（比起海面状的活性炭更像是长毛绒地毯或是涂料刷）来解决表面积方面的挑战。他还强调说其他研究人员正在研究石墨烯和性能更佳的活性炭。除了扩大表面积外，碳纳米管和石墨烯还可以比活性炭经受更高的电压，Schindall说。

同时，电压方面的挑战看上去像是一条更艰难的道路，他说。研究人员正在测试离子液电解质（全部为离子，没有溶剂，液体状），正常情况下可在三倍于普通电解质可承受电压的条件下工作。

但是离子液非常挑剔。他们不像是液体，容易在室温条件下冻住，价格昂贵，较普通电解液电阻更大，这也就意味着放电不会那么快。超级电容的主要优势之一，即最高功率，也会因此变小。如Schindall所说，超级电容总是处于权衡中。