1 什么是超级电容

电容器，一种主要作用是将电能储存在电场中的电子元器件，几乎存在于所有的电子设备中。古人言“海纳百川，有容乃大”，但为了让电容器能够储存更多的电能，古往今来的科学家们绞尽了脑汁——他们先后尝试了包括更换不同的电介质，又或者把电容做成堆叠的薄片等各种方法，但最终都没能使电容器的电容值实现量级上的突破。然而超级电容技术的出现最终解决了这一问题。而我们电子科技博物馆，也收藏了几款被称为“储能界的超级救星”的超级电容。

超级电容和传统电容相比，最 “超级”之处在于，它能在保持较小体积的同时储存相当于普通电容器数万倍的电量。拿我们博物馆中四个由火炬电子生产的超级电容举例，电容值最小的为0.06F，而最大的甚至达到了1.5F；而博物馆收藏的传统电容的电容值，最大的也只在uF（F的百万分之一）量级。

超级电容器（电子科技博物馆馆藏）

2 “超级”背后的秘密

简而言之，在传统电容器中，电荷只能分布在表面上，而其具有一定厚度的内部空间并不能储存电荷；而超级电容，其结构的独特之处在于，内部的铝或者其他金属材料制成的平行金属板上覆盖了一层多孔碳材料，而大量电荷就可以分布在这些多孔碳材料内部的表面上。据估算，一克这种特制的多孔碳材料，展开后表面积能够超过2000平方米。可以说，超级电容实现了储存电荷的方式从二维到三维的突破，这就是超级电容“超级”的秘密。

超级电容结构示意图

超级电容的诞生却可追溯到140余年前。1879年，德国物理学家亥姆霍兹（Helmholtz）发现了电化学界面的双电层电容的性质，提出了一种具有高法拉的电容器。1957年，贝克（Becker）申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利，可以算是第一个超级电容的雏形。但是非常可惜，当时科学家们并没有找到适用超级电容的应用场景。直到1979年，日本NEC公司开始大规模商业化生产超级电容，超级电容才开始逐渐走进我们的生活。

3 超级电容的“超级”应用

超级电容的“超级”应用，是它可以更好地胜任许多传统电池的工作。

① 替代动力电池

储能公交

常见的纯电动汽车，采用可充电锂电池等等，往往半小时才能充电到70%～80%。而超级电容却能实现快速充电，仅需10秒到10分钟即可完成充电。

超级电容非常适合公交车的等短期靠站停车和固定线路的交通工具。2020年上海市种子中心城区的5条主要线路新增了89辆新型公交，该公交采用的上海奥威科技开发有限公司生产的超级电容，可以一次性存储40度电，能量密度突破100W/kg。由于其超级快的充电速度，公交车完全可以在中途到站停车的短时间内完成充电，并且驾驶到下一站。充电三分钟就能运行十公里，满电状态下的续航里程可达30公里。另外在2022年9月，世界首艘纯超级电容动力轮渡“新生态”号也抵达了上海，计划于10月底投运于长兴、横沙岛间航线。也是由于使用了超级电容，该型轮渡实现了充电15分钟，航行一小时的超高性能。

储能公交的停站充电过程

② 替代储能电池

常见的锂电池，循环充电寿命往往只有1000到2000次，这也是为什么我们的智能手机，越用越感觉耗电快。往往几年下来就必须更换电池了。而超级电容的循环寿命达到了50万到100万次，使用年限可以到10年以上。可以说是沧海桑田后，仍不改“英雄本色”。常见的电容器，电容单位往往是皮法（pF，1pF=F）或微法(μF，1pF=F)。超级电容储存的电容量也十分巨大。而一个电容为5F的超级电容，外加两个我们生活在常见的7号电池的电压（3V），这个超级电容储存的电荷量（15C）就相当于一道闪电。

因此，超级电容器的另一个应用就是太阳能，风能等清洁能源的储能。我们知道太阳能和风能都是无污染可持续的可再生能源，而且能量丰富，是未来替代化石燃料等不可再生能源的首选。但是在太阳能能量采集过程中，如果出现阴影遮挡，多云天气，或者在风能采集过程中，风力风速变化，那么所采集的能量就不稳定，这种电能当然不能直接输入电网，因此先将电能储存在超级电容器里就很好了。这不仅有利于可持续发展，超级电容器采用碳材料，而不是常见的蓄电池，自然也不会造成重金属污染等问题，超级长的使用寿命，也减少的材料的损耗，可以说是绿色环保的代表。

“新生态”号世界首艘纯超级电容动力轮渡

参考文献：

[1] 新茶.腾讯新闻.超级电容来了！一分钟给公交车充满电！央视揭秘带你揭秘其中奥秘[OL]. https://new.qq.com/rain/a/20220301A053DM00,2022-3

[2]徐长发.知乎.百篇科普系列（16） — 超级电容与电动车. https://zhuanlan.zhihu.com/p/159546235,2017-2

[3]石墨烯联盟.网易号.【科普】高比能超级电容器：电极材料、电解质和能量密度限制原理[OL]. https://www.163.com/dy/article/FRUA82BT05119OAR.html,2020-11

[4]电力知识学堂.网易号.超赞！世界首艘纯超级电容动力船“新生态”号完成试航，啥是超级电容？[OL]. https://www.163.com/dy/article/GPPIGTIK05522B3J.html,2021-11

[5]新民晚报.腾讯新闻. 上海智造”超级电容车今在公交26路投运[OL]. https://sh.qq.com/a/20190927/003051.htm,2019-9

[6]佚名.电子发烧友.超级电容器的主要应用领域[OL]. https://www.elecfans.com/yuanqijian/dianrongqi/20171213602935_a.html,2017-12

文章：肖洋

排版：周春宇