储能技术的未来，超级电容器

（本文编译自Electronic Design）

全球超级电容器储能技术研究于20世纪60年代开始起步，80年代进入商业化阶段，经过多年发展，超级电容器电容量大幅增加。

超级电容器具有高循环效率（超过100万次循环）、超过95%的高充电循环次数，以及放电速度更快、使用寿命更长的特点。超级电容器的容量值通常以法拉为单位衡量，而其他类型电容器的容量值则以微法或纳法为单位。

超级电容器的应用范围广泛，既可用作不间断电源（UPS）中的电池替代品，也可用于改善线性稳压器的工作性能。

电容器与超级电容器的区别

电容器是性能优良的储能器件。以双电层电容器为例，它比普通电容器能储存更多电荷或能量。这种特殊器件所使用的极板，相比普通电容器具有更大的表面积和更短的极板间距。正是由于具备高储能电荷的特性，这类电容器被特别称为超级电容器。

超级电容器的结构包含两块金属极板，极板由活性炭或碳等多孔材料制成。超级电容器中不使用单独的电介质。金属极板会浸泡在电解液中，随后通过一层由碳或纸制成的薄绝缘体实现分隔。

电极的高表面积，加之相对更薄的电介质，使得超级电容器能在较小空间内储存大量电荷。当极板完全充电时，电介质两侧会形成相反电荷，进而构成双电层。

超级电容器的应用场景广泛，包括电力调节、工业激光器、医疗设备、不间断电源（UPS）、无线通信系统以及风力涡轮机等领域。通过将超级电容器串联，可产生更高电压，从而满足功率更大的设备需求。

超级电容器分类

根据电荷储存机制的不同，超级电容器可分为三类：电化学双电层电容器、赝电容器和混合电化学电容器（见下图）。

图1：三种超级电容器的结构示意图：电化学双电层电容器（a）、赝电容器（b）、非对称/混合电化学电容器（c）。

数十年间，超级电容器已从一种颇具吸引力的优选设计方案，发展成为在诸多应用场景中稳定可靠的技术。其应用范围涵盖从电池备份，到防止意外存储内存丢失等领域。工程师们青睐超级电容器，正是因其具备多重优势，包括出色的可靠性与性能。

超级电容器的一个重要特性是，在正常使用条件下，其充放电次数几乎可达到数十万次。电化学电池与超级电容器的不同之处在于，前者具有固定的循环寿命，而超级电容器即便经过多次循环，损耗依然较低。此外，相比电池，超级电容器的充放电循环速度更快，同时还能保持高效的电流处理能力。

功率密度与超级电容器

超级电容器的高功率密度使其具备快速充放电循环的特性，进而实现快速能量释放。这类电化学电容器能够填补电池与传统电容器之间的应用空白，在功率储能（即单位时间内的能量）方面拥有独特优势，该优势决定了器件可依据自身重量或体积输出能量的能力。

超级电容器的主要特性包括：

• 高功率密度：超级电容器的功率密度远高于传统电池，能够快速释放能量。这一特性在应急供电系统、电动汽车再生制动等应用场景中极具价值。

• 能量密度：尽管超级电容器的功率密度表现突出，但其先进产品设计中的能量密度通常在30至50瓦时/千克之间。这一数值低于电池，但持续的研究将有望提升该指标。

• 结构与材料：超级电容器的功率密度受其结构影响，同时也与电极材料（如碳纳米管、石墨烯）的选择以及适配电解液的使用密切相关。

超级电容器的应用前景

目前的研究工作聚焦于通过采用新型材料与稳固的结构设计，逐步提升超级电容器的性能指标。纳米技术的发展以及金属有机框架（MOFs）等先进纳米材料的出现，为扩大电荷储存可用表面积带来巨大发展潜力。

此外，旨在降低环境影响、同时保持性能效率的超级电容器制造工艺也在研发当中。随着各项技术的融合与成熟，预计超级电容器将在能源领域持续占据独特的一席之地，为工业领域和消费者提供高性能的储能解决方案。例如，目前基于低成本材料的可穿戴设备用超级电容器已处于研发阶段。

结语

超级电容器凭借其高功率密度、快速充放电、长循环寿命、宽工作温度范围以及高安全性等独特优势，已在电力调节、工业激光器、医疗设备、UPS、无线通信系统、风力涡轮机等众多领域得到广泛应用，并取得了显著成果。尽管目前超级电容器在能量密度等方面存在一定局限，但随着纳米技术、先进纳米材料以及新型制造工艺的不断发展，其性能指标有望持续提升，应用范围也将进一步拓展。

此外，从市场规模来看，超级电容器产业呈现出蓬勃发展的态势。近年来，随着新能源行业的爆发式成长，超级电容器迎来了新一轮的增长高峰。根据超级电容产业联盟数据显示，2021年全球超级电容市场规模为15.9亿美元，2023年全球超级电容器行业的市场规模约21亿美元，预计2024-2029年全球超级电容器行业的复合增长率约为18%，到2029年全球超级电容器市场的规模有望达到57亿美元左右。

超级电容器作为一种新型的高性能储能设备，能够有效解决能源存储和利用过程中的诸多问题，为可再生能源的大规模应用和智能电网的稳定运行提供了关键支撑。同时，超级电容器产业的发展也符合全球能源结构调整和可持续发展的战略需求，有助于减少对传统化石能源的依赖，降低碳排放，推动能源绿色转型。在未来的能源体系中，超级电容器有望与其他储能技术相互补充，共同构建高效、清洁、可持续的能源存储和利用体系，为人类社会的发展提供坚实的能源保障。