（本文編譯自Electronic Design）

全球超級電容器儲能技術(shù)研究于20世紀(jì)60年代開始起步，80年代進入商業(yè)化階段，經(jīng)過多年發(fā)展，超級電容器電容量大幅增加。

超級電容器具有高循環(huán)效率（超過100萬次循環(huán)）、超過95%的高充電循環(huán)次數(shù)，以及放電速度更快、使用壽命更長的特點。超級電容器的容量值通常以法拉為單位衡量，而其他類型電容器的容量值則以微法或納法為單位。

超級電容器的應(yīng)用范圍廣泛，既可用作不間斷電源（UPS）中的電池替代品，也可用于改善線性穩(wěn)壓器的工作性能。

電容器與超級電容器的區(qū)別

電容器是性能優(yōu)良的儲能器件。以雙電層電容器為例，它比普通電容器能儲存更多電荷或能量。這種特殊器件所使用的極板，相比普通電容器具有更大的表面積和更短的極板間距。正是由于具備高儲能電荷的特性，這類電容器被特別稱為超級電容器。

超級電容器的結(jié)構(gòu)包含兩塊金屬極板，極板由活性炭或碳等多孔材料制成。超級電容器中不使用單獨的電介質(zhì)。金屬極板會浸泡在電解液中，隨后通過一層由碳或紙制成的薄絕緣體實現(xiàn)分隔。

電極的高表面積，加之相對更薄的電介質(zhì)，使得超級電容器能在較小空間內(nèi)儲存大量電荷。當(dāng)極板完全充電時，電介質(zhì)兩側(cè)會形成相反電荷，進而構(gòu)成雙電層。

超級電容器的應(yīng)用場景廣泛，包括電力調(diào)節(jié)、工業(yè)激光器、醫(yī)療設(shè)備、不間斷電源（UPS）、無線通信系統(tǒng)以及風(fēng)力渦輪機等領(lǐng)域。通過將超級電容器串聯(lián)，可產(chǎn)生更高電壓，從而滿足功率更大的設(shè)備需求。

超級電容器分類

根據(jù)電荷儲存機制的不同，超級電容器可分為三類：電化學(xué)雙電層電容器、贗電容器和混合電化學(xué)電容器（見下圖）。

圖1：三種超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖：電化學(xué)雙電層電容器（a）、贗電容器（b）、非對稱/混合電化學(xué)電容器（c）。

數(shù)十年間，超級電容器已從一種頗具吸引力的優(yōu)選設(shè)計方案，發(fā)展成為在諸多應(yīng)用場景中穩(wěn)定可靠的技術(shù)。其應(yīng)用范圍涵蓋從電池備份，到防止意外存儲內(nèi)存丟失等領(lǐng)域。工程師們青睞超級電容器，正是因其具備多重優(yōu)勢，包括出色的可靠性與性能。

超級電容器的一個重要特性是，在正常使用條件下，其充放電次數(shù)幾乎可達到數(shù)十萬次。電化學(xué)電池與超級電容器的不同之處在于，前者具有固定的循環(huán)壽命，而超級電容器即便經(jīng)過多次循環(huán)，損耗依然較低。此外，相比電池，超級電容器的充放電循環(huán)速度更快，同時還能保持高效的電流處理能力。

功率密度與超級電容器

超級電容器的高功率密度使其具備快速充放電循環(huán)的特性，進而實現(xiàn)快速能量釋放。這類電化學(xué)電容器能夠填補電池與傳統(tǒng)電容器之間的應(yīng)用空白，在功率儲能（即單位時間內(nèi)的能量）方面擁有獨特優(yōu)勢，該優(yōu)勢決定了器件可依據(jù)自身重量或體積輸出能量的能力。

超級電容器的主要特性包括：

• 高功率密度：超級電容器的功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電池，能夠快速釋放能量。這一特性在應(yīng)急供電系統(tǒng)、電動汽車再生制動等應(yīng)用場景中極具價值。

• 能量密度：盡管超級電容器的功率密度表現(xiàn)突出，但其先進產(chǎn)品設(shè)計中的能量密度通常在30至50瓦時/千克之間。這一數(shù)值低于電池，但持續(xù)的研究將有望提升該指標(biāo)。

• 結(jié)構(gòu)與材料：超級電容器的功率密度受其結(jié)構(gòu)影響，同時也與電極材料（如碳納米管、石墨烯）的選擇以及適配電解液的使用密切相關(guān)。

超級電容器的應(yīng)用前景

目前的研究工作聚焦于通過采用新型材料與穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)設(shè)計，逐步提升超級電容器的性能指標(biāo)。納米技術(shù)的發(fā)展以及金屬有機框架（MOFs）等先進納米材料的出現(xiàn)，為擴大電荷儲存可用表面積帶來巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

此外，旨在降低環(huán)境影響、同時保持性能效率的超級電容器制造工藝也在研發(fā)當(dāng)中。隨著各項技術(shù)的融合與成熟，預(yù)計超級電容器將在能源領(lǐng)域持續(xù)占據(jù)獨特的一席之地，為工業(yè)領(lǐng)域和消費者提供高性能的儲能解決方案。例如，目前基于低成本材料的可穿戴設(shè)備用超級電容器已處于研發(fā)階段。

結(jié)語

超級電容器憑借其高功率密度、快速充放電、長循環(huán)壽命、寬工作溫度范圍以及高安全性等獨特優(yōu)勢，已在電力調(diào)節(jié)、工業(yè)激光器、醫(yī)療設(shè)備、UPS、無線通信系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著成果。盡管目前超級電容器在能量密度等方面存在一定局限，但隨著納米技術(shù)、先進納米材料以及新型制造工藝的不斷發(fā)展，其性能指標(biāo)有望持續(xù)提升，應(yīng)用范圍也將進一步拓展。

此外，從市場規(guī)模來看，超級電容器產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。近年來，隨著新能源行業(yè)的爆發(fā)式成長，超級電容器迎來了新一輪的增長高峰。根據(jù)超級電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示，2021年全球超級電容市場規(guī)模為15.9億美元，2023年全球超級電容器行業(yè)的市場規(guī)模約21億美元，預(yù)計2024-2029年全球超級電容器行業(yè)的復(fù)合增長率約為18%，到2029年全球超級電容器市場的規(guī)模有望達到57億美元左右。

超級電容器作為一種新型的高性能儲能設(shè)備，能夠有效解決能源存儲和利用過程中的諸多問題，為可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用和智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供了關(guān)鍵支撐。同時，超級電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也符合全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，有助于減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低碳排放，推動能源綠色轉(zhuǎn)型。在未來的能源體系中，超級電容器有望與其他儲能技術(shù)相互補充，共同構(gòu)建高效、清潔、可持續(xù)的能源存儲和利用體系，為人類社會的發(fā)展提供堅實的能源保障。