超级电容技术分析及应用

　无论如何称呼，超电容(ultracapacitor)或者超级电容(supercapacitor)这类新型电容都比传统的电容器的电容大得多。直接地说，您现在可以购买到额定值为5～10F/2.5V的径向引线式板载电容、额定值为120～150F/5V的闪光灯电池大小的电容，更大的单电容可以达到650～3000F/2.7V的电容值。注意，所有这些电容器的电容值都是以法拉为单位的。而在不久以前，两千微法的器件就被认为是大电容了。

如果您需要更多种类的电容，您可以订购电容额定值为20F到500F、电压额定值为15V到390V的各种电容器现货。如果采用适当的串/并联组合，您甚至可以用这类电容驱动一辆巴士(bus)——对，不是电路板上的布线，而是载人的巴士汽车。(尽管混合燃料系统、化学电池和燃料电池指日可待，但是它们迟迟没有正式投入使用)。

在研发超电容时，人们并没有发现什么新的物理定律。实际上，有关超电容的原理仍然要追溯到德国物理学家赫尔姆霍兹。与普通电容器一样，超电容也是采用在两个“极板”之间储存电荷的形式来储存能量的。电容值的大小与极板的面积以及两极板之间所用的介电材料成正比，与两极板之间的距离成反比。但是，超电容的原理有所不同。

在用超电容实现巨大的电容之前，我们就已经掌握了电解化学(electrolytics)的原理。超电容不是电解化学，但是了解电解化学有助于我们认识超电容这一新型的技术。

之所以称之为电解化学，是因为它的一个(或两个)“极板”是在金属衬底的表面形成的非金属电解质。在制造过程中，电压驱动电流从阳极金属板通过导电的电镀槽流向阴极。这样就会在阳极的表面产生一层绝缘的金属氧化物——电介质。

在电解化学中，当把电极浸入到电解溶液中时，会在电极分界面上出现电荷累积和电荷分离的现象。电解液中反向带电离子的累积补偿了电极表面的剩余电荷。这一分界面称为赫尔姆霍兹层(Helmholtz layer)。

超电容的结构不再是那种中间填充介电材料的平板电极(或者卷成管状的平板电极)结构——就像三明治中间的花生酱。在超电容中，电荷的充/放电发生在电解质中多孔碳精材料或多孔金属氧化物之间的分界面上。

Helmholtz层引起了一种称为双层电容的效应。当把一个直流电压加载到超电容中多孔碳精电极的两端，用于电荷补偿的阳离子或阴离子就会在带电电极周围的电解液中发生累积。如果分界面上不出现电子迁移，那么“两层”分离的电荷(金属一侧的电子或电子空穴，以及界面边界电解液一侧的阳离子或阴离子)就会出现在分界面上(如图1所示)。

图1：超电容实质上包含两个极板和一块悬挂在电解液中的隔板。正极板吸引电解液中的阴离子。负极板吸引阳离子。这形成了所谓的电化学双层电容(EDLC)，其中具有两层电容式存储结构。

Helmholtz-region电容的大小取决于多孔碳精电极的面积以及电解液中的离子容量。双层电极上每平方厘米的电容大小是普通介电电容的10000倍。这是因为双层电极中电荷之间的距离大约只有0.3到0.5nm，而电解化学中这一距离为10到100nm，云母电容或聚苯乙烯电容为1000nm。

我们已经对这种“双层”电极的原理有所了解。但是，这种双层结构降低了实际器件应该达到的理论电容值，因为超电容包括一对电极，每个电极的面积只有总面积的一半。另外，超电容实际上是两个电容相串联而成的。因此，超电容的实际电容值只有根据电极面积和离子容量计算出来的理论电容值的四分之一。

　电池与超电容

有些文献喜欢将电池和超电容混为一谈，掩盖了二者很多重要的差异：

电池存储的是以瓦时计算的能量，电容存储的是以瓦特计算的功率。

电池以长时间恒定的化学反应来提供电能，充电时间相对较长，对充电电流的特性要求比较苛刻。相反，电容的充电是通过加载在其两端的电压来完成的，充电速度在很大程度上取决于外部电阻。电池能够在较长一段时间内以基本恒定的电压输出电能。而电容的放电速度很快，输出电压呈指数规律衰减。

电池只能够在有限的充/放电次数内保持良好的工作状态，充/放电的次数取决于它们放电的程度。电容，尤其是超电容，可以反复充/放电达数千万次。(这也是超电容不同于电解化学的一个重要方面——它们不像电解化学的工作过程那样具有电极板充放电次数的限制。)

电池比较笨重，电容比较轻巧。

电池与电容的很多差异可以用Ragone图来形象地说明(如图2所示)。Ragone图常用于分析，但是实际上，Ragone图是Y轴上的能量密度(单位是Wh/kg)与X轴上的功率密度(单位是W/kg)二者之间的双对数