超級電容技術分析及應用

　無論如何稱呼，超電容(ultracapacitor)或者超級電容(supercapacitor)這類新型電容都比傳統的電容器的電容大得多。直接地說，您現在可以購買到額定值為5～10F/2.5V的徑向引線式板載電容、額定值為120～150F/5V的閃光燈電池大小的電容，更大的單電容可以達到650～3000F/2.7V的電容值。注意，所有這些電容器的電容值都是以法拉為單位的。而在不久以前，兩千微法的器件就被認為是大電容了。

　　如果您需要更多種類的電容，您可以訂購電容額定值為20F到500F、電壓額定值為15V到390V的各種電容器現貨。如果采用適當的串/并聯組合，您甚至可以用這類電容驅動一輛巴士(bus)——對，不是電路板上的布線，而是載人的巴士汽車。(盡管混合燃料系統、化學電池和燃料電池指日可待，但是它們遲遲沒有正式投入使用)。

　　在研發超電容時，人們并沒有發現什么新的物理定律。實際上，有關超電容的原理仍然要追溯到德國物理學家赫爾姆霍茲。與普通電容器一樣，超電容也是采用在兩個“極板”之間儲存電荷的形式來儲存能量的。電容值的大小與極板的面積以及兩極板之間所用的介電材料成正比，與兩極板之間的距離成反比。但是，超電容的原理有所不同。

　　在用超電容實現巨大的電容之前，我們就已經掌握了電解化學(electrolytics)的原理。超電容不是電解化學，但是了解電解化學有助于我們認識超電容這一新型的技術。

　　之所以稱之為電解化學，是因為它的一個(或兩個)“極板”是在金屬襯底的表面形成的非金屬電解質。在制造過程中，電壓驅動電流從陽極金屬板通過導電的電鍍槽流向陰極。這樣就會在陽極的表面產生一層絕緣的金屬氧化物——電介質。

　　在電解化學中，當把電極浸入到電解溶液中時，會在電極分界面上出現電荷累積和電荷分離的現象。電解液中反向帶電離子的累積補償了電極表面的剩余電荷。這一分界面稱為赫爾姆霍茲層(Helmholtz layer)。

　　超電容的結構不再是那種中間填充介電材料的平板電極(或者卷成管狀的平板電極)結構——就像三明治中間的花生醬。在超電容中，電荷的充/放電發生在電解質中多孔碳精材料或多孔金屬氧化物之間的分界面上。

　　Helmholtz層引起了一種稱為雙層電容的效應。當把一個直流電壓加載到超電容中多孔碳精電極的兩端，用于電荷補償的陽離子或陰離子就會在帶電電極周圍的電解液中發生累積。如果分界面上不出現電子遷移，那么“兩層”分離的電荷(金屬一側的電子或電子空穴，以及界面邊界電解液一側的陽離子或陰離子)就會出現在分界面上(如圖1所示)。

　　圖1：超電容實質上包含兩個極板和一塊懸掛在電解液中的隔板。正極板吸引電解液中的陰離子。負極板吸引陽離子。這形成了所謂的電化學雙層電容(EDLC)，其中具有兩層電容式存儲結構。

　　Helmholtz-region電容的大小取決于多孔碳精電極的面積以及電解液中的離子容量。雙層電極上每平方厘米的電容大小是普通介電電容的10000倍。這是因為雙層電極中電荷之間的距離大約只有0.3到0.5nm，而電解化學中這一距離為10到100nm，云母電容或聚苯乙烯電容為1000nm。

　　我們已經對這種“雙層”電極的原理有所了解。但是，這種雙層結構降低了實際器件應該達到的理論電容值，因為超電容包括一對電極，每個電極的面積只有總面積的一半。另外，超電容實際上是兩個電容相串聯而成的。因此，超電容的實際電容值只有根據電極面積和離子容量計算出來的理論電容值的四分之一。

　　　電池與超電容

　　有些文獻喜歡將電池和超電容混為一談，掩蓋了二者很多重要的差異：

　　電池存儲的是以瓦時計算的能量，電容存儲的是以瓦特計算的功率。

　　電池以長時間恒定的化學反應來提供電能，充電時間相對較長，對充電電流的特性要求比較苛刻。相反，電容的充電是通過加載在其兩端的電壓來完成的，充電速度在很大程度上取決于外部電阻。電池能夠在較長一段時間內以基本恒定的電壓輸出電能。而電容的放電速度很快，輸出電壓呈指數規律衰減。

　　電池只能夠在有限的充/放電次數內保持良好的工作狀態，充/放電的次數取決于它們放電的程度。電容，尤其是超電容，可以反復充/放電達數千萬次。(這也是超電容不同于電解化學的一個重要方面——它們不像電解化學的工作過程那樣具有電極板充放電次數的限制。)