电子产品世界

超级电容器是一种特殊的电化学能量储存装置，以其能够提供突发能量脉冲而闻名。电池通常提供持续运行所需的大容量能量，而介电电容器则提供滤波和脉冲功率所需的快速放电速率。在这种情况下，超级电容器弥补了这两种技术之间的差距。

超级电容器与电池和电容器的区别

要理解超级电容器的实用性，首先必须分析Ragone图，该图将比能量（Wh/kg）与比功率（W/kg）对比。如图1所示，超级电容器处于电容器和电池之间的一个明显区域。

图1。超级电容器及其他常用电池技术的拉戈尼图。（图片：电池，MDPI)

燃料电池和锂离子电池提供高能量密度，但在高电流循环时存在功率密度和劣化的限制。传统电容器提供高功率输出但能量储存极少。超级电容器提供从10个不等的功率密度3到104W/kg。这种能力使它们能够管理高电流瞬变，从而保护主要化学能源免受热应力的影响。

为什么选择超级电容器而不是普通电容器？

超级电容器（如EDLC）和传统电容器都是静电存储电荷的被动元件，但它们的内部结构不同。传统电容器使用介质材料分离带电板，这允许高额定电压，但限制了电容容量。超级电容器利用电解质和多孔电极形成纳米级分离距离的电双层（EDL）。

这种分离产生的电容值比电解电容器高出数量级，但击穿电压较低。表1总结了这些技术区别。

表1。超级电容器与传统电容器的技术比较。（图片来源：世界电动汽车杂志。MDPI)

最显著的区别在于电容和电压之间的权衡。超级电容器具有较高的电容值（例如2600华氏度），但额定电压较低，通常限制在2.5伏到2.7伏之间。传统电容的电容值较低（例如5.6×10−4F）但为高电压额定（例如200 V）。

超级电容器如何储存能量？

这种电压额定差异源于结构。传统电容器使用介质材料（如陶瓷或聚合物），能够承受高电场。相比之下，超级电容器依赖电解溶液和涂有活性炭的电极之间形成电双层，从而限制其最大工作电压。

超级电容器的电容来源于其电极材料的高表面积，这些材料通常是多孔活性炭或可持续的替代品如生物炭。电荷储存主要通过两种机制发生，如图2所示：

1. 电双层电容（EDLC）：如面板（b）所示，电解质吸附离子到电极表面。这是一种物理的、非法拉达式的过程，允许快速循环，而不会像电池那样发生化学降解。

2. 伪电容：如面板（c）所示，涉及特定电极材料表面（如金属氧化物或导电聚合物）表面发生快速且可逆的氧化还原反应。该法拉达过程提高了能量密度，但可能影响动力学，相较于纯EDLC。

图2。（a）超级电容器结构，（b）电双层效应示意图，（c）法拉第工艺示意图。（图片来源：能源研究前沿)

该领域的研究目前优先优化生物炭来源电极的孔径分布。这样做是为了与电解质的离子尺寸对齐，从而最大化双层形成的有效表面积。

总结

超级电容器在电力电子中具有特定功能。通过连接电池和传统电容器的功能，它提高了系统的效率和耐用性。在电动汽车再生制动或风力涡轮输出平滑等应用中，超级电容器管理高功率需求，延长一次储能系统的寿命。

关键词： 超级电容器