超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件。随着超级电容器的出现，如何更好地应用超级电容器，提高电子电路的性能，开发新的电路、电子电路和应用领域，是电力电子技术领域科技工作者的热门课题。
超级电容器的原理和结构
1.超级电容器结构
图1显示了超级电容器的模型。在超级电容器中，多孔电极由活性炭粉末、活性炭和活性炭纤维制成，电解质由有机电解质制成，例如碳酸丙烯酯或高氯酸四铵。在操作中，在可极化电极和电解质溶液之间的界面处形成的双电层中累积的电容c由以下公式确定:
从图中可以看出，它的多孔电极是由多孔活性炭制成的，多孔活性炭有很大的表面积来吸附电解液中的电荷，所以会有很大的容量，可以储存大量的静电能量。超级电容器的这种特性介于传统电容器和电池之间。与电池相比，虽然能量密度在5%以下，但这种储能方式也可以适用于传统电池的缺点和短时高峰值电流。这种超级电容器比电池有几个优点。
2.超级电容器的工作原理
超级电容器是利用双电层原理的电容器，示意图如图2所示。当向超级电容器的两个极板施加外加电压时，就像普通电容器一样，极板的正极存储正电荷，负极存储负电荷。在超级电容器两个极板上的电荷产生的电场的作用下，在电解质和电极的界面上形成相反的电荷，以平衡电解质内部的电场。这些正负电荷排列在两个不同相之间的界面上的相反位置，正负电荷之间的间隙非常短。这个电荷分布层叫做双电层，所以电容很大。
当两极板间的电位低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会与电解液分离，超级电容器处于正常工作状态(通常低于3V)。如果电容器两端的电压超过电解液的氧化还原电极电位，电解液就会分解，变成异常状态。超级电容器放电时，正负极板上的电荷被外电路放电，电解液界面上的电荷响应降低。可见，超级电容器的充放电过程始终是一个物理过程，不存在化学反应。所以性能稳定，不同于利用化学反应的电池。
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2、超级电容电池原理，超级电容的原理是什么？2020年，上海种子中心城五条主线新增公交89辆。这些公交车虽然看似平淡，但其实很成功。因为它可以利用乘客在站点上下车的时间间隙来快速充电。这是什么原理？央视节目《新技术透视》为我们带来了答案。
原来，这些公交车的动力不是普通的电池或燃料电池，而是一种新型的超级电容器。这款超级电容最大的特点就是一分钟就能充满电，续航里程可达10-15公里，真不愧为“超级”。
图1新能源超级电容客车
要了解超级电容，首先要了解什么是电容。中国科学院山西煤炭化学研究所嘉宾陈承蒙做客《新技术透视》节目。他介绍，电容器是储存电荷的容器。它最早诞生于1745年的荷兰莱顿大学，因此被称为莱顿瓶，由一个玻璃瓶和两层金属箔组成。这个装置储存了摩擦产生的电荷，这是电学研究的重要基础。
图2莱登瓶
与传统电容器相比，超级电容器的优势在于体积小，但可以存储比普通电容器多4万倍的电量。国际单位中电容的标准单位是法拉，但由于传统电容器的存储容量很小，只能以千分之一毫法计算。由于存储容量很小，传统的电容只能用来提高电路的高效平滑的DC输出，而不能用来存储电荷，所以超级电容的出现可以很好的解决这个问题。
图3比表面积
电在储存的过程中，有一个很新颖的特点就是只能在表面储存电荷，而且电荷只能分布在最外面的表面。因此，为了扩大电容器的存储容量，最重要的是增加比表面积。超级电容器是通过使用多孔碳材料来增加其比表面积。多孔碳就像海绵，有大大小小的孔。孔内表面展开后，会得到一个比海绵外表面积大得多的内表面积，增加了整个比表面积，自然增加了储存电荷的能力。
图4多孔碳材料的结构图
超级电容器中多孔碳的本质是活性炭，常见于我们生活中的净水器和新装修的房子中，可以用来净化水和吸附有毒气体。超级电容器中的活性炭是活性炭的一种，但它是一种特殊的活性炭。这种多孔碳材料具有非常好的导电性，可以非常顺畅地转移电荷。此外，它具有非常高的比表面积。1克普通活性炭的比表面积为300~500平方米，但用于超级电容器的1克多孔炭的比表面积可达2000平方米甚至更高。
图5面积对比
在日常生活中，我们和电容接触不多，但接触最多的还是电池，比如手机的锂电池。这两者有很大的区别。电容直接储存电荷，不涉及能量的转换，而电池是能量转换装置，将电能转化为化学能储存电能，再将化学能转化为电能释放出来。
图6电池能量转换简图
在节目中，北京交通大学副教授陈真用一个生动的比喻来区分电容器和电池。电容储物就像我们的存钱罐。你这样放一个硬币，里面还有钱，然后取出来里面的钱就可以用了。这是电荷的直接储存。而电池就是我们把钱变成股票、期货、房产等形式，就像电池把电能转化成化学能储存起来，然后当我要用钱的时候，需要把这些股票期货兑现回现金才可以使用，也就是把化学能转化成电能。
图7锂电池
因为储能原理不同，所以同体积的超级电容和锂电池相比电池的储能可能只有锂电池的二十分之一到十分之一。但从充电速度来看，锂电池的电动车半小时能充70%~80%，而超级电容的公交车一分钟就能充满。另外循环寿命，锂电池一般寿命在2000次左右，超级电容寿命可以达到50万次到100万次。
从环保和安全的角度来看，锂电池等其他二次电池有很大的缺点。锂电池中的锂在地球上非常有限，而锂是一种非常活泼的金属，无论暴露在空气中还是水中都会引起剧烈的化学反应。锂电池报废后，如果不及时回收，会对环境造成严重污染。汽车电池铅酸电池中的铅对土壤和人体的毒性也很大。
图8锂电池污染
超级电容器的储能材料是碳材料，地球上的碳资源非常丰富。无论是普通动植物还是煤炭石油资源都富含碳，因此超级电容器的材料来源丰富且环保。此外，超级电容器的安全性也极高，因为超级电容器的材料是多孔碳和纯碳，碳的性质非常稳定，即使在碰撞和高温的情况下也不会有明显的化学变化。因此，在我国新能源开发利用的环保道路上，对超级电容器进行深入研究是非常必要的。
图9碳元素的结构
超级电容也不负众望，已经广泛应用于电动公交车。不仅是上海，宁波、广州、武汉都有超级电容的电动公交线路，真的可以在几分钟内给公交车充满电。此外，超级电容器在中国电网领域也有应用。近年来，中国一直致力于发展新能源产业，利用风能、潮汐能、太阳能等新能源接入中国电网发电。但这些新能源在整个能源体系中的比重越来越大，其波动性和不稳定性会越来越容易受到大自然的影响。这些波动的电流不能直接使用，被称为垃圾电。垃圾电进入电网，非常容易冲击电网。此时超级电容利用其快速充放电性能，可以有效平抑波动，回收垃圾电，大大提高了新能源的发电效率。
图10电动汽车充电桩
目前，超级电容器还不能用于民用汽车和电子移动设备，但随着超级电容器的不断完善和多孔碳材料的不断迭代升级，在不久的将来，超级电容器必将成为新的储能材料。陈成猛研究员在节目中介绍了他对超级电容的研发方向。他以为超级电容就像短跑冠军，爆发力强，锂电池就像长跑冠军，耐力强。当短跑冠军和长跑冠军同台竞技时，锂离子电池和超级电容器结合在一起，使超级电容器和锂离子电池的材料同时用在一个储能装置中，既能展现锂电池的长期续航能力，又能实现超级电容器的大功率充放电，相得益彰，达到最佳性能。
图11超级电容器实验之一
科技改变了未来，超级电容器的技术发展很快。超级电容器的电极材料从活性炭不断更新迭代，发展到碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料体系。器件的结构从最初的对称型发展到非对称和电池电容混合型，器件的形状也从刚性不透明发展到柔性透明。近年来，超级电容器的研究方兴未艾，我们可以深切地感受到超级电容器正一步步向多样化和复合化发展。我们可以相信，超级电容器将在未来的能源、交通和电子领域发挥越来越重要的作用。
参考资料:
CCTV10科教频道。《新技术透视》20220131解密超级电容。
作者:新茶校对编辑:小万
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