【知識科普】容量王者，超級電容容量為何這么大？？？

“充電30秒，行駛5公里”的超級電容公交車，你坐過嗎？

超級電容公交車，不難理解，它的動力來源是超級電容。電容是常見的電路元器件之一，多用于濾波、去耦等。但現(xiàn)在電容竟然能驅(qū)動一輛車？！簡直顛覆所有人的認知！

確實，普通電容很難做到，但是超級電容可以！超級電容憑著快速充電、大容量等優(yōu)點，開創(chuàng)出電容驅(qū)動汽車的先河。據(jù)悉，每輛超級電容公交車底部都裝有超級電容，而站臺則被改造成帶有充電樁的充電站。由于充電時間僅需30秒，所以公交車在每次停站上下客的時間內(nèi)充電，就可以使車維持運行5公里。

那么問題來了，相比于普通電容，超級電容的容量為什么那么大？

一、 容量王者——超級電容

超級電容是一種通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學元件，又名電化學電容，雙電層電容器。和其它同樣體積大小的電容相比，超級電容容量要大很多，普通電容容量為微法級，而超級電容容量達到法拉級。因此，超級電容被譽為“容量王者”、“黃金電容”。

超級電容實物圖

二、 為什么超級電容的容量能夠這么大？

首先搞明白電容容量是由什么決定？電容中儲存的電能來源于兩塊極板上積累的電荷，電容容量的大小與兩極板的正對面積和距離有關(guān)。

計算電容容量的公式為：

C=εS/4πkd

ε是介電常數(shù)，S是電容兩極板的正對面積，d是電容兩極板之間的距離(即介質(zhì)厚度)。

由以上公式可知，兩極板的正對面積越大，電容容量越大；兩極板間的距離越小，電容容量越大。所以，若想獲得較大的電容量，儲存更多的能量，必須增大面積S或減少極板距離d，但對于普通電容而言，空間十分有限，一般體積都不大，所以普通電容的儲電量有限。

普通電容結(jié)構(gòu)

但超級電容不一樣，超級電容屬于雙電層電容器，它采用活性炭材料制作成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，以獲得超大的容量。

當在超級電容兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質(zhì)溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當于兩個電容器串聯(lián)，由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積S)，而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(獲得了極小的介質(zhì)厚度d)！

超級電容充電過程

根據(jù)前面的計算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多，巨大的表面積加上電荷間極小的距離，使得超級電容具有很大的容量，比容量可以提高100倍以上，從而使單位重量的電容量可達100F/g。超級電容單體的容量可從1法拉至幾千法拉不等。

三、 前景廣闊！超級電容4大應用場景

除了容量大，超級電容還具有多種優(yōu)勢，包括瞬時打開、快速充電等能力，不需要太復雜的充電電路等，因此被應用在多個領(lǐng)域中。

1、公共交通工具/電動汽車

由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內(nèi)阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達蓄電池的50～100倍，可達到10kW/kg左右，這個特點使超級電容非常適合于短時大功率的應用場合，比如電動汽車。

超級電容和其他儲能元件組成的復合電源系統(tǒng)兼顧了其他儲能元件的高比能量和超級電容的高比功率的優(yōu)點，可以更好地滿足電動車啟動和加速性能的要求，并能提高電動車制動能量的回收效率。增加續(xù)駛里程。目前，超級電容可以和蓄電池、燃料電池、飛輪電池等組成復合電源系統(tǒng)。在純電動車和混合動力電動車上采用超級電容一蓄電池復合電源系統(tǒng)，將是電動車領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向之一。

2、風力發(fā)電

風力發(fā)電是當前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)。但是,風能是一種隨機變化的能源，風速變會導致風電機組輸出功率的波動，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，研究并網(wǎng)風電場的輸出功率調(diào)節(jié)成為風力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。附加儲能設(shè)備既可以調(diào)節(jié)無功功率、穩(wěn)定風電場母線電壓，又能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功功率，是當前的一個研究熱點。

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，超級電容器的能量密度有了很大提高，在一些短時電力儲能場合已經(jīng)進入了商業(yè)化應用階段。利用超級電容器存儲能量，平抑風電場輸出功率重要頻段的風電波動具有良好的應用前景。

3、微網(wǎng)/電網(wǎng)

網(wǎng)運行中，針對總發(fā)電容量小于總負荷需求，同時因外部故障而進入孤島運行時，為了保護重要負荷必須切除次要負荷，如果外部故障為瞬時性故障，則在短時間內(nèi)微網(wǎng)又會因瞬時故障消失而重合到主網(wǎng)，并重啟次要負荷。從供電穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的角度來看，對次要負荷不利，因此在外部故障后，可以采用超級電容器向孤島運行的微網(wǎng)提供短時功率缺額，維持所有負荷并等待故障修復。

4、建筑/電梯節(jié)能

我國建筑物的能耗約占全國總能耗的28%左右。其中電梯的用電量僅次于空調(diào)，遠高于照明、供水等的用電量，電梯的能耗已經(jīng)引起業(yè)界高度重視，因此電梯的節(jié)能具有非常重要的現(xiàn)實意義。

因此研究開發(fā)高效能的電機拖動系統(tǒng)，是電梯節(jié)能的關(guān)鍵。能量回饋型節(jié)能電梯已有較為成熟的技術(shù)，但因其價格因素以及對電網(wǎng)的影響，推廣尚有一定難度。超級電容器與直流母線直接相連吸收回饋能量超級電容器直接與變頻器的直流母線連接。超級電容在大功率電器電子產(chǎn)品尤其是電梯產(chǎn)品中具有良好的應用效果和優(yōu)勢，其應用前景無可限量。

結(jié)語

近年來，超級電容器的技術(shù)發(fā)展迅速，其電極材料從活性炭也不斷更新迭代，發(fā)展為碳納米管和石墨烯等新型碳納米材料體系；器件的結(jié)構(gòu)由原先的對稱型不斷朝著非對稱和電池、電容混合型等多體系發(fā)展；器件的形態(tài)也從剛性、不透明向著柔性、透明化發(fā)展。科技改變未來，相信超級電容的出現(xiàn)與發(fā)展，將會持續(xù)不斷地革新現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，改變我們生活的世界。

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審核編輯黃宇