容量王者，超級(jí)電容容量為何這么大？

“充電30秒，行駛5公里”的超級(jí)電容公交車，你坐過嗎？

超級(jí)電容公交車，不難理解，它的動(dòng)力來源是超級(jí)電容。電容是常見的電路元器件之一，多用于濾波、去耦等。但現(xiàn)在電容竟然能驅(qū)動(dòng)一輛車？！簡(jiǎn)直顛覆所有人的認(rèn)知！

確實(shí)，普通電容很難做到，但是超級(jí)電容可以！超級(jí)電容憑著快速充電、大容量等優(yōu)點(diǎn)，開創(chuàng)出電容驅(qū)動(dòng)汽車的先河。據(jù)悉，每輛超級(jí)電容公交車底部都裝有超級(jí)電容，而站臺(tái)則被改造成帶有充電樁的充電站。由于充電時(shí)間僅需30秒，所以公交車在每次停站上下客的時(shí)間內(nèi)充電，就可以使車維持運(yùn)行5公里。

相比于普通電容，超級(jí)電容的容量為什么那么大？

一、容量王者——超級(jí)電容

超級(jí)電容是一種通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器。和其它同樣體積大小的電容相比，超級(jí)電容容量要大很多，普通電容容量為微法級(jí)，而超級(jí)電容容量達(dá)到法拉級(jí)。因此，超級(jí)電容被譽(yù)為“容量王者”、“黃金電容”。

超級(jí)電容實(shí)物圖

二、為什么超級(jí)電容的容量能夠這么大？

首先搞明白電容容量是由什么決定？電容中儲(chǔ)存的電能來源于兩塊極板上積累的電荷，電容容量的大小與兩極板的正對(duì)面積和距離有關(guān)。

計(jì)算電容容量的公式為：

C=εS/4πkd

ε是介電常數(shù)，S是電容兩極板的正對(duì)面積，d是電容兩極板之間的距離(即介質(zhì)厚度)。

由以上公式可知，兩極板的正對(duì)面積越大，電容容量越大；兩極板間的距離越小，電容容量越大。所以，若想獲得較大的電容量，儲(chǔ)存更多的能量，必須增大面積S或減少極板距離d，但對(duì)于普通電容而言，空間十分有限，一般體積都不大，所以普通電容的儲(chǔ)電量有限。

普通電容結(jié)構(gòu)

但超級(jí)電容不一樣，超級(jí)電容屬于雙電層電容器，它采用活性炭材料制作成多孔電極，同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，以獲得超大的容量。

當(dāng)在超級(jí)電容兩端施加電壓時(shí)，相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上，從而形成兩個(gè)集電層，相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)，由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積S)，而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(獲得了極小的介質(zhì)厚度d)！

超級(jí)電容充電過程

根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多，巨大的表面積加上電荷間極小的距離，使得超級(jí)電容具有很大的容量，比容量可以提高100倍以上，從而使單位重量的電容量可達(dá)100F/g。超級(jí)電容單體的容量可從1法拉至幾千法拉不等。

三、前景廣闊！超級(jí)電容4大應(yīng)用場(chǎng)景

除了容量大，超級(jí)電容還具有多種優(yōu)勢(shì)，包括瞬時(shí)打開、快速充電等能力，不需要太復(fù)雜的充電電路等，因此被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中。

1、公共交通工具/電動(dòng)汽車

由于采用了特殊的工藝，超級(jí)電容的等效電阻很低，電容量大且內(nèi)阻小。使得超級(jí)電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達(dá)蓄電池的50～100倍，可達(dá)到10kW/kg左右，這個(gè)特點(diǎn)使超級(jí)電容非常適合于短時(shí)大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，比如電動(dòng)汽車。

超級(jí)電容和其他儲(chǔ)能元件組成的復(fù)合電源系統(tǒng)兼顧了其他儲(chǔ)能元件的高比能量和超級(jí)電容的高比功率的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足電動(dòng)車啟動(dòng)和加速性能的要求，并能提高電動(dòng)車制動(dòng)能量的回收效率。增加續(xù)駛里程。目前，超級(jí)電容可以和蓄電池、燃料電池、飛輪電池等組成復(fù)合電源系統(tǒng)。在純電動(dòng)車和混合動(dòng)力電動(dòng)車上采用超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)，將是電動(dòng)車領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向之一。

2、風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)。但是,風(fēng)能是一種隨機(jī)變化的能源，風(fēng)速變會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率調(diào)節(jié)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。附加儲(chǔ)能設(shè)備既可以調(diào)節(jié)無功功率、穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)母線電壓，又能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功功率，是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，超級(jí)電容器的能量密度有了很大提高，在一些短時(shí)電力儲(chǔ)能場(chǎng)合已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。利用超級(jí)電容器存儲(chǔ)能量，平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率重要頻段的風(fēng)電波動(dòng)具有良好的應(yīng)用前景。

3、微網(wǎng)/電網(wǎng)

網(wǎng)運(yùn)行中，針對(duì)總發(fā)電容量小于總負(fù)荷需求，同時(shí)因外部故障而進(jìn)入孤島運(yùn)行時(shí)，為了保護(hù)重要負(fù)荷必須切除次要負(fù)荷，如果外部故障為瞬時(shí)性故障，則在短時(shí)間內(nèi)微網(wǎng)又會(huì)因瞬時(shí)故障消失而重合到主網(wǎng)，并重啟次要負(fù)荷。從供電穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的角度來看，對(duì)次要負(fù)荷不利，因此在外部故障后，可以采用超級(jí)電容器向孤島運(yùn)行的微網(wǎng)提供短時(shí)功率缺額，維持所有負(fù)荷并等待故障修復(fù)。

4、建筑/電梯節(jié)能

我國建筑物的能耗約占全國總能耗的28%左右。其中電梯的用電量?jī)H次于空調(diào)，遠(yuǎn)高于照明、供水等的用電量，電梯的能耗已經(jīng)引起業(yè)界高度重視，因此電梯的節(jié)能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。