法拉储能，第 1 部分：超级电容器基础知识

许多系统使用可用的线路供电或可更换电池供电。然而，在其他系统中，许多系统需要不断捕获、存储然后输送能量来为系统供电。电量范围从通过物联网和智能电表等远程监控设备的能量收集提供的微量到更大规模的电网级系统。情况是，在能量生成或捕获时立即“实时”利用来自各种来源的能量是一回事。然而，在实际应用中，通常需要一个能量存储子系统，以便将捕获的任何能量存储起来以供日后使用。

这种可补充的能量存储通常是通过使用可充电电池(正式名称为二次电池，与不可充电的原电池相对)或通过使用超级电容器" target="_blank">超级电容器来实现的。本文将在简要介绍电池之后重点介绍超级电容器。

从电池开始

众所周知，电池是一种提供能量存储的电化学装置，已经伴随我们数百年。多年来，有两种最广泛使用的常见电池“化学”：初级碳锌电池和可充电铅酸电池，后者真正开始流行是在 1920 年左右汽车电动起动器的发展过程中。

除了这两种化学物质之外，还有数十种初级和次级电池材料和化学物质在使用。每种材料和化学物质都具有不同的参数特性，例如端电压、能量容量、重量和体积能量密度、安全考虑、主动放电率、自放电、工作温度、保质期和成本，仅举几例。还有一些因素与最佳充电电流和充电/放电循环次数(通常称为使用寿命)有关。

对于大多数小型工程设计和许多大型工程设计(例如电动汽车)，首选的可充电电池是基于锂基化学的。这一大类电池中有许多变体，每种变体都提供不同的性能属性和权衡。

然而，所有可充电化学产品都有一个共同点，那就是它们可用的充电/放电循环次数有限，根据充电程度和放电深度，循环次数约为一至几千次。这对于反复充电和放电的产品来说是一个负面因素，这在能量收集和日常循环情况下很常见，因此最终限制了它们的实用性。

超级电容器

超级电容器是一个很好的例子，说明为什么在技术进步方面你不应该“永不说永不”。如果你查阅 20 世纪 60 年代甚至 70 年代之前关于电容器的教科书或学术论文，就会发现电容器的容量限制和物理尺寸有明确的陈述。通常，在解释电容器的物理特性及其能量容量 E 之后：

E = ½ CV 2

其中 C 是法拉 (F) 电容，V 是电压，有人会说，一法拉 (F) 数量级的电容器大得不切实际，可能和文件柜或小书柜一样大。

但材料和表面技术的研究带来了新的结构和制造技术，最终诞生了所谓的超级电容器，它在一个与其他基本无源器件大小相当的封装中提供数十甚至数百法拉的容量。超级电容器，也称为超级电容器，正式名称为电双层电容器 (EDLC)。

经典电容器具有两个分开的导电板(无物理接触)和它们之间的电介质;该电介质可以是真空、空气或非导电聚合物。

超级电容器的结构看似简单，实则复杂。超级电容器使用碳纳米管技术，以极小的间隔距离创造出非常大的表面积(图 1)。它们没有使用传统的介电材料(如陶瓷、聚合物薄膜或氧化铝)来分隔电极，而是使用活性炭制成的物理屏障，这样当电荷施加到材料上时，就会产生双电场，起到介电体的作用。

图 1：电双层电容器 (EDLC) 或超级电容器采用独特配置的复杂材料来实现几十年前被认为“不可能”的电容体积密度。

这个电双层的厚度薄如分子，而活性炭层的表面积却非常大，每克高达几千平方米。大的表面积支持大量离子的吸收。因此，充电/放电发生在活性炭电极上形成的离子吸收层中。电双层效应发生在电子导体和离子导体之间的界面处，该界面存在于几乎所有的电化学储能系统中，涉及所谓的亥姆霍兹层。