一分钟充满电，续航里程10-15千米，超级电容到底是什么原理？

2020年上海市种子中心城区的5条主要线路新增了89辆新型公交车，这些公交车虽然看似平平无奇，实则大有乾坤。因为它可以利用乘客在停靠站上下车的时间空隙里进行迅速充电。这到底是什么原理？央视节目《透视新科技》给我们带来解答。

原来这些公交车的动力不是普通的蓄电池或者燃料电池，而是一种新型的超级电容器，这种超级电容器最大的特点就是一分钟就可以充满电，并且它的续航里程可以达到10-15千米，真不愧称得上是“超级”二字。

图 1新能源超级电容公交车

要了解超级电容器首先要了解什么是电容器。《透视新科技》节目请到了嘉宾陈成猛，来自中国科学院山西煤炭化学研究所，他介绍到，电容器就是一个储存电荷的容器，它最早诞生于1745年荷兰莱顿大学，因此被叫做莱顿瓶，由一个玻璃瓶和内外两层金属箔组成。这个装置将摩擦产生的电荷存起来，是电学研究的重大基础。

图 2莱顿瓶

超级电容器与传统电容器相比，它的超级之处在于体积小但能储存超过普通电容器四万倍的电量。国际单位中电容的标准单位是法拉，而由于传统电容器的储存容量很小，仅仅只能以千分之一的毫法计算。因为储存容量很小，因此传统的电容器只能应用在提升电路高效平滑的直流输出方面，不能够应用于储存电荷，所以超级电容器的出现就能够很好的解决这个问题。

图 3比表面积

电在存储的过程中有一个非常新奇的特性就是只能在表面上储存电荷，电荷只能分布在最表面的一点点，因此要想扩大电容器的储电能力，最重要的就是增大比表面积。超级电容器就是通过使用多孔的碳材料来增大它的比表面积，多孔碳就好像是一块海绵，有着大大小小的孔洞，将孔洞内的表面展开之后，会获得比海绵的外表面积要大得多的内表面积，从而使得整个的比表面积增大，自然储存电荷的能力自然会增加。

图 4多孔碳材料结构图

在超级电容器里面的多孔碳的本质就是活性炭，一般的活性炭常见于我们生活中的净水器、新装修的房子里，可以用来净化水质、吸附有毒气体，超级电容器里的活性炭就是活性炭的一种，但是是特制的一种活性炭。这种多孔碳材料有着非常好的导电性，能够非常顺畅地传输电荷，另外就是有着非常高的比表面积，1克一般的活性炭的比表面积在300~500平方米，但是用于超级电容器的多孔碳1克的比表面积就可以达到2000平方米甚至更高。

图 5面积对比

在日常生活中我们对电容器的接触并不多，接触最多的是电池，像手机的锂电池等等。这两者存在着很大的区别，电容器是将电荷直接存储，不涉及能量的转化，而电池是一种能量的转换装置，将电能转化为化学能储存电，在将化学能转化为电能释放出来。

图 6电池能量转换简易图

节目中北京交通大学的陈真副教授用了一个生动形象的比喻来区别电容器和电池。电容器存电就像我们的存钱罐，把一个硬币一个硬币这样放进去，这里边存的还是钱，然后这个里面的钱拿出来就能用，这就是电荷的直接存储。而电池是我们将钱换成股票、期货、房产等其他的形式，就像电池把电能转化为化学能储存下来，然后等我要用钱的时候，需要再把这些股票期货套现重新变回现金来才能使用，这就是将化学能转化为电能。

图 7锂电池

因为储能的原理不一样，所以超级电容器与电池相比，相同体积的超级电容器和锂电池，超级电容器的储电量可能只是锂电池的二十分之一到十分之一。但从充电速度来看，锂电池的电动汽车在快充半小时的情况下能够充到70%~80%，但超级电容器的公交车可以在停靠的一分钟充满。另外就是循环的寿命上，锂电池一般的寿命在2000次左右，超级电容器的寿命可以达到50万次~100万次。

从环保性和安全性上看，锂电池等其他的二次电池有着很大的不足，锂电池中的锂元素在地球上是十分有限的，而且锂是非常活泼的金属，无论是暴露在空气还是水中都会发生剧烈的化学反应，锂电池报废后如果不及时回收的话会对环境造成很严重的污染；汽车电瓶中的铅酸电池中的铅对于土壤和人体也有非常大的毒性。

图 8锂电池污染

而超级电容器的储能材料是碳材料，碳资源在地球上的资源是非常丰富的，无论是普通的动物植物还是煤炭石油资源都富含碳元素，因此超级电容器的材料来源是丰富且环保的。除此之外，超级电容器的安全性也是极高的，因为超级电容器的材料是多孔碳而且是纯碳，碳的性质十分稳定，因此即使是遭到碰撞和高温的情况下也不会发生明显的化学变化。因此，在我国新能源开发利用的环保道路上，超级电容器的深入研究十分有必要。

图 9碳元素的结构

超级电容器也不负众望，已经在电动公交车上有了很成熟的应用，不只是上海，宁波、广州、武汉都有安装了超级电容器的电动公交车线路，真正可以做到几分钟的时间给公交车充满电。另外超级电容器还用于我国的电网领域，近年来我国一直致力于新能源产业的发展，利用风能、潮汐能、太阳能等新能源接入我国电网进行发电，但这些新能源的接入量在整个能源体系中的比重越来越大，其波动性和不稳定性也会越来越容易受到自然的影响而变大，而这些波动大的电流无法被直接利用被称为垃圾电。垃圾电进入电网极容易对电网产生冲击，此时超级电容器利用其快充快放的性能能够有效平息波动并回收垃圾电，大大提高新能源的发电效率。

图 10电动汽车充电桩

在现阶段超级电容器还不能在民用小轿车和电子移动设备中应用，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，在不久的未来超级电容器一定会成为新型的储能材料。陈成猛研究员在节目中介绍了自己对超级电容器的研究发展方向，他认为超级电容器就好像是爆发力强的短跑冠军，锂电池就好像是耐力强的长跑冠军，短跑冠军和长跑冠军搬到同一个舞台上，就是将锂离子电池与超级电容器相结合，让超级电容器和锂离子电池的材料同时用在一个储能的器件里面，既能展示锂电池的长续航能力，又能实现超级电容器的高功率充电放电，互相取长补短实现最佳性能。

图 11超级电容器实验之一

科技改变未来，超级电容器的技术发展迅速，其电极材料从活性炭也不断更新迭代，发展为碳纳米管和石墨烯等新型碳纳米材料体系，器件的结构由原先的对称型不断朝着非对称和电池、电容混合型等多体系发展，器件的形态也从刚性、不透明向着柔性、透明化发展。这些年，超级电容器的研究方兴未艾，可以深切地感受到超级电容器一步一步朝着多元化、复合化的方向发展，我们可以相信，超级电容器必将在未来的能源、交通和电子等领域发挥越来越重要的作用。

参考资料：
CCTV10科教频道.《透视新科技》 20220131 解密超级电容器

作者：新茶 校稿编辑：小宛