超級電容器是一種特殊的電化學能量儲存裝置，以其能夠提供突發能量脈沖而聞名。電池通常提供持續運行所需的大容量能量，而介電電容器則提供濾波和脈沖功率所需的快速放電速率。在這種情況下，超級電容器彌補了這兩種技術之間的差距。

超級電容器與電池和電容器的區別

要理解超級電容器的實用性，首先必須分析Ragone圖，該圖將比能量（Wh/kg）與比功率（W/kg）對比。如圖1所示，超級電容器處于電容器和電池之間的一個明顯區域。

圖1。超級電容器及其他常用電池技術的拉戈尼圖。（圖片：電池，MDPI)

燃料電池和鋰離子電池提供高能量密度，但在高電流循環時存在功率密度和劣化的限制。傳統電容器提供高功率輸出但能量儲存極少。超級電容器提供從10個不等的功率密度3到104W/kg。這種能力使它們能夠管理高電流瞬變，從而保護主要化學能源免受熱應力的影響。

為什么選擇超級電容器而不是普通電容器？

超級電容器（如EDLC）和傳統電容器都是靜電存儲電荷的被動元件，但它們的內部結構不同。傳統電容器使用介質材料分離帶電板，這允許高額定電壓，但限制了電容容量。超級電容器利用電解質和多孔電極形成納米級分離距離的電雙層（EDL）。

這種分離產生的電容值比電解電容器高出數量級，但擊穿電壓較低。表1總結了這些技術區別。

表1。超級電容器與傳統電容器的技術比較。（圖片來源：世界電動汽車雜志。MDPI)

最顯著的區別在于電容和電壓之間的權衡。超級電容器具有較高的電容值（例如2600華氏度），但額定電壓較低，通常限制在2.5伏到2.7伏之間。傳統電容的電容值較低（例如5.6×10?4F）但為高電壓額定（例如200 V）。

超級電容器如何儲存能量？

這種電壓額定差異源于結構。傳統電容器使用介質材料（如陶瓷或聚合物），能夠承受高電場。相比之下，超級電容器依賴電解溶液和涂有活性炭的電極之間形成電雙層，從而限制其最大工作電壓。

超級電容器的電容來源于其電極材料的高表面積，這些材料通常是多孔活性炭或可持續的替代品如生物炭。電荷儲存主要通過兩種機制發生，如圖2所示：

1. 電雙層電容（EDLC）：如面板（b）所示，電解質吸附離子到電極表面。這是一種物理的、非法拉達式的過程，允許快速循環，而不會像電池那樣發生化學降解。

2. 偽電容：如面板（c）所示，涉及特定電極材料表面（如金屬氧化物或導電聚合物）表面發生快速且可逆的氧化還原反應。該法拉達過程提高了能量密度，但可能影響動力學，相較于純EDLC。

圖2。（a）超級電容器結構，（b）電雙層效應示意圖，（c）法拉第工藝示意圖。（圖片來源：能源研究前沿)

該領域的研究目前優先優化生物炭來源電極的孔徑分布。這樣做是為了與電解質的離子尺寸對齊，從而最大化雙層形成的有效表面積。

總結

超級電容器在電力電子中具有特定功能。通過連接電池和傳統電容器的功能，它提高了系統的效率和耐用性。在電動汽車再生制動或風力渦輪輸出平滑等應用中，超級電容器管理高功率需求，延長一次儲能系統的壽命。