電子發燒友網報道（文/黃山明）電容器，顧名思義是一種能夠將電能儲存在電場中的電子元器件，這種產品幾乎存在于所有的電子設備中。但普通的電容器如何才能做到儲存更多的電能呢，為此開發者們做了許多努力，比如更換不同的電介質，或將電容做成堆疊的薄片等，但都無法讓電容器的電容值實現量級上的突破。

而超級電容器的出現，不僅解決了電容值的問題，甚至有望推動儲能的技術發展。

超級電容器的發展

所謂超級電容器，就是一種介于傳統電容器和電池之間的電化學儲能裝置。它具有比傳統電容器更高的能量密度，同時又能像電容器一樣快速充放電，并且循環壽命長、功率密度高。

超級電容的正負極材料主要為活性炭，其燃點高達350℃，燃燒速度較慢。并且活性炭密封在超級電容單體內部，讓其安全性進一步提升。

超級電容器通常有雙電層電容和法拉第準兩種工作原理。在雙層電容下，當電極浸泡在電解液中時，在電極和電解液的界面會形成雙電層。

以活性炭為例，其豐富的孔隙結構提供了巨大的表面積。在充電時，電解液中的陽離子會向帶負電的電極表面聚集，而陰離子會向帶正電的電極表面聚集，這些離子在電極表面附近形成緊密的電荷層，就像電容器的兩個極板一樣儲存電荷。這種電荷的存儲是基于靜電吸附作用，沒有發生化學反應。而放電過程則是相反的，離子離開電極表面，使得存儲的電荷釋放出來，為外部電路提供電能。

法拉第準電容下，有些超級電容器的電極材料（如金屬氧化物、導電聚合物等）在充放電過程中會發生快速可逆的氧化還原反應。

比如，對于氧化釕（RuO?）電極材料，在充電時，RuO?表面會發生反應：RuO? + H?O + e?→RuOOH+OH?，電子的轉移使得電荷存儲在電極材料中。放電時，反應逆向進行，釋放出存儲的電子，從而為外部電路提供電能。這種基于氧化還原反應的電荷存儲方式，使得超級電容器的電容值比單純基于雙電層電容的要高，進一步增加了其儲能能力。

在18世紀中葉，荷蘭萊頓大學馬森布羅克與德國馮?克萊斯特研制出萊頓瓶，被公認為是所有電容器的原型。1879年，亥姆霍茨發現界面雙電層現象，并提出了雙電層理論，為超級電容器的發展奠定了理論基礎。

1969年，Sohio公司首先實現了碳材料電化學電容器的商業化。1979年，日本NEC公司開始生產超級電容器，次年的1980年，NEC/Tokin公司與松下三菱公司率先實現超級電容器的商業化生產。

2007年1月，美國《探索》雜志將超級電容器列為 2006 年世界七大科技發現之一，認為超級電容器是能量儲存領域的一項革命性發展，并將在某些領域取代傳統蓄電池。

近年來，隨著納米技術、材料科學等相關領域的不斷進步，超級電容器的性能得到了顯著提升。新型電極材料如石墨烯、碳納米管等的應用，使得超級電容器的能量密度和功率密度有了較大提高。未來有望實現更高的能量密度、更低的成本和更長的使用壽命，從而在能源存儲市場中占據更重要的地位。

儲能市場中的超級電容器

近年來，隨著新能源汽車、智能電網等下游應用領域的需求推動，超級電容器市場規模呈現快速增長態勢。2023年全球超級電容器市場規模約21億美元，中國市場規模約30.5億元，且預計未來仍將保持較高的增長率。

而超級電容器在儲能市場中有著巨大的發展潛力，一個是可以替代許多傳統電池的工作。如今的電動汽車，大多采用可充電鋰電池，充電速度緩慢，而超級電容能夠實現快速充電，僅需10秒到10分鐘就能夠完成充電。

同時，在需要頻繁快速充放電的場合中，超級電容器表現出色，如電動汽車的加速和制動能量回收，在這個過程中，超級電容器可以在瞬間提供或吸收大量功率。還用于電網的調頻、調壓，能夠快速響應電網功率變化，維持電網穩定。

此外，常見的鋰電池，其循環壽命通常在2000-4000次左右，并且循環次數越多，其電量存儲的也越少，這就導致使用幾年后必須進行電池更換。

而超級電容的循環壽命達到了50萬至100萬次，使用年限可以到10年以上。像工業領域的起重機械、電梯勢能回收等設備，由于需要長期反復使用，超級電容器的長循環壽命優勢凸顯，可有效降低設備的維護成本。

并且常見的電容器其電容單位往往是pF或μF，超級電容儲存的電容量可以達到F級。如果一個電容為5F的超級電容，在加上兩個市面中長江的7號電池的電壓（3V左右），那么這個超級電容儲存的電荷量將達到15C，相當于一道閃電。

因此，超級電容器也非常適用于太陽能、風能等清潔能源的儲能。并且由于超級電容器本身采用碳材料，而不是常見的蓄電池，也不會造成重金屬污染等問題，加上長壽命等特點，有望在碳中和的未來占據重要地位。

當然，超級電容器在技術上還有一些難點需要解決，例如超級電容器的功率密度雖然很高了，但與傳統電池相比，其功率密度仍然較低，這限制了其在一些需要長時間、大量能量供應的場景中的應用。

并且超級電容器存在一定的自放電現象，導致其在長時間存儲后電量會有一定程度的損失，影響了其實際使用效能。目前雖然有一些表面處理等方法可以治標，但由于對自放電研究還不夠深入全面，還無法從根本上解決這一問題。

電極材料也是影響超級電容器性能的關鍵因素之一。目前常見的碳材料、金屬氧化物、導電聚合物等電極材料，在比表面積、導電性、穩定性等方面還存在不足。開發新型電極材料，如石墨烯、碳納米管、MXene等，雖然取得了一定進展，但在大規模生產和應用中仍面臨成本控制、材料一致性等問題。

不過就像固態電池一樣，目前所面臨的問題，隨著技術的發展都能得到有效的解決。并且未來在一些復雜的應用場景中，將超級電容器和固態電池結合形成混合儲能系統是非常有前景的。

比如在電動汽車中，超級電容器可以在加速、制動等高功率工況下快速響應，而固態電池則提供穩定的能量輸出，滿足車輛行駛的基本能量需求。在可再生能源存儲系統中，超級電容器可以快速處理功率波動，固態電池則用于長時間的能量存儲，這樣的組合可以充分發揮兩者的優勢，提高儲能系統的整體性能。

小結

超級電容器作為介于傳統電容器和電池之間的電化學儲能裝置，具有高能量密度、快速充放電、長循環壽命和高功率密度等特性，經多年商業化推進與技術進步，在新能源汽車、智能電網等儲能市場應用廣泛且潛力巨大。雖仍面臨能量密度有待提升、自放電、電極材料優化等技術難點，但隨著技術發展有望解決，未來與固態電池結合構建混合儲能系統前景可期，有望在能源存儲領域發揮更重要作用。