十五秒充满电，循环十万次，什么是超级电容器？

发布日期：2024-09-19 20:14

来源类型：今日永州 | 作者：Birdsall

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你有没有想过这样的场景，手机碰碰电源就能满电或者在等一个红灯的间隙就能把电动车充满？效率是现代社会的驱动力，对速度的追求一直是技术进步的目标，更快的铁路、更快的汽车、更快的包裹以及更快的充电技术，快速补充电量一直是阻碍电动车普及以及电子产品用户体验提升的一大障碍。我们见证了手机充电速度从几个小时提升到几十分钟再到几分钟，手机充电器的功率从5V-1A增加到12W、20W、65W、120W，再到疯狂的200W。增长更加迅猛的是电动车的充电速度，从mini EV的2kW，再到超充桩的50kW、80kW，再到特斯拉的150kW、250kW，以及最近发布的480kW超充桩。然而电动车即便是这样的充电速度，也追不上加油的效率。我们如何进一步地把充电时间降低到几分钟甚至是几秒钟呢？我们就来聊一聊，这种能让公交车在等红灯的间隙就能充满电的技术。

超级电容器，提到电容器，学过物理的同学应该都不陌生，这是一种存储电荷的容器，但是说起超级电容器，大家可能就不太熟悉了，超级电容与电容有何不同？又和锂电池有何不同？

为了讲清楚这三者的原理特性以及区别，我们今天一网打尽，把他们三个放在一起对比一下。

首先我们来看传统电容器，从结构上来看，主要是两个靠近的电极，中间夹着一层不导电的绝缘电介质；把电容器的两端接上电源的正负极就会对电容进行充电。正极连接的电容器极板就会积累正电荷，而与电源负极相连接的另一极板就会带负电。这两个电极存储的电荷大小相等符号相反，当电容器两端的电压与电源电压相等时，充电就完成了，而电容器的放电也很简单，极板上的电荷在电路中流动，两极之间的电压也逐渐降低，直到电荷完全消失。

值得注意的是，这里的充放电过程只有电子的流动是纯粹的物理变化，整个过程也不容易像化学反应那样受温度影响或者产生电化学发热，所以电容器的充放电过程可以非常迅速。甚至在几秒内完成，可工作的温度范围也会很广。

接下来我们再看电池，以我们常用的锂电池为例。其内部包含正极、负极、电解质和隔膜。需要注意的是，这里的正负极之间的是电解质，这里的电解质富含着各种的离子，用来帮助电流的传输，而电容器中间的电介质是绝缘体，用来阻挡电子的流动。锂电池充电的时候，带正电的锂离子从正极经过电解质移动到负极和电子结合成新的化合物。

放电时，这种化合物再转换成锂离子，再回到正极。因此整个过程是化学反应，并且可能会产生不稳定的产物以及释放热量和氧气，整个过程对于温度也会更加敏感。同时电子移动的速度也没有办法像电容器的物理变化那样快，而且随着多次充放电的化学反应，电极材料的寿命也会逐渐的降低。所以锂电池的稳定性充电速度以及寿命损耗是三大挑战。

最后来到今天的主角超级电容器。我们都想知道他到底凭什么叫超级呢？和传统电容器的简单结构相比，超级电容器一般由正负电极电解液和隔膜组成的，听起来是不是很像锂电池的结构呢？超级电容器是一种介于传统电容器和化学电池之间的储能器件，我们拿其中的双电层电容器结构举例，平面电极和电解质之间充满着电解液，充电时在电极表面聚集的电荷还会吸引电解质中扩散的正负离子，吸附在电极的表面，定向排列，形成双电层结构，从而存储更多电荷。而放电时，电子在电路中流动而形成双电层的正负离子就会从电极表面回到电解液中，整个充放电只涉及电荷的物理迁移过程，不涉及化学反应，电解液也不会消耗从而具有十万次以上的充放电循环寿命。 同时，超级电容器的电极主要由比表面积大的碳基材料构成，比如活性炭，碳纳米管、石墨烯等等，可以和电解液充分的接触，从而携带的电量更大。

那这个电极的比表面积可以有多大呢？以活性炭电极为例，每克的比表面积可以达到一千平方米，让超级电容器在同样的体积下可以携带比普通电容器多几千倍的电量，简单概括一下三者结构和原理上的区别就是传统电容器和超级电容器都是以物理反应为主。因此充放电速度较快，对工作温度要求低，使用次数也可以更长。而相比传统电容器，超级电容器在材料和结构上拥有更大比表面积、更多层数以及双电层效应等优势，因此能量密度比传统电容器更高。锂电池的充放电都是化学反应，能够存储的能量更多，但是对于工作温度要求更加严格，电池寿命也会随着材料的损耗而降低。

我们来硬核量化一下两者的区别。这张表统计的超级电容器和锂离子电池在充电速度、循环寿命、能量密度、工作温度、内阻等各方面的数据对比。我们先来看最关心的指标充电速度，锂电池目前主流的充电速度在1C-3C，量产最快可以达到6C，也就是说锂电池一般需要十分钟到一个小时才可以充满，而超级电容器的充电速度在一到三十秒钟，支撑着这种充电速度的是它足够大的功率密度。所谓功率密度，就是同样重量的锂电池或者超级电容以什么样的速率去释放能量。锂电池的功率密度1000W/Kg。也就是说，如果要驱动功率200kW的电动车，至少需要200Kg的电池，而超级电容的功率密度超过了10000W/Kg，每千克是锂电池的十倍，驱动同样200kW的电动车就只需要20Kg的超级电容就够了。

然后我们要考察的指标是循环寿命。了解电动车的同学应该知道，锂电池的循环寿命也是一大技术挑战，即便是循环寿命更高的磷酸铁锂电池最高的循环寿命也只有九千次左右，并且快充的使用会进一步的减少电池的寿命。而超级电容的循环次数可以超过十万次，最高可以达到五十万次，是锂电池的五十倍以上。不仅如此，超级电容的内阻比锂电池也会更小一些。电池的内阻是电池发热以及限制快充的一大阻碍。

而根据北京科技大学的研究，超级电容的内阻比磷酸铁锂电池的内阻要小一半以上，跟内阻同样重要的是工作温度，锂电池对于温度的要求非常严苛，天气太冷了不能充电，天气太热了又会影响电池的寿命。以至于很多人都把电动车称作电动爹。而作为对比，超级电容器可以在-40度到65度之间灵活的充放电，因此几乎可以应对我们生活中所有的环境温度。

跟锂电池比起来，超级电容器的好处太多了，充电快，寿命长，而且皮实耐用。那为什么超级电容器没有早早的替代锂电池呢？没错，超级电容器也是有缺点的。超级电容器最大的弱点来自它的能量密度，虽然相比传统电容器，它的能量密度已经提升了一千多倍，但仍然赶不上锂电池的能量密度。如果我们把电容器、超级电容器、锂电池甚至是燃料电池的数据放在一起对比，其中锂电池的能量密度在160Wh到300Wh之间，而超级电容器在5Wh到30Wh时之间，只有锂电池的不到1/10，因此一辆电动车上要存储同样的五十度电，我们需要的超级电容器的重量会是锂电池的十倍。不仅如此，超级电容器的价格比锂电池要贵很多，每千瓦时的锂电池价格大约在250美元。而每千瓦时超级电容器目前的价格在一万美元左右，也就是说，一辆五十度电的超级电容器电动车光电容器的成本就要超过三百万人民币，可以说是非常奢华了。除此之外，超级电容器还有一个缺点在于它的自放电特性，充满电的超级电容器放置12小时，最高会流失40%的电量，因此不适合长期储存电能看完超级电容器的优势和劣势，我们会发现它并不是一种各方面都优于锂电池的选项，而是一个非常有特色的选项。在合适的场景里，他才能发挥意想不到的作用。

没错，超级电容的充电速度快功率大循环寿命长，工作方式灵活。但问题是能量密度太小，也不适合长时间的储存电能，因此非常的适用在那些需要瞬时释放大功率的场景里面，这种大功率可以是充电，也可以是放电。在兰博基尼2021年版的SIÁN中就使用到了超级电容器来进行动能回收，也就是在汽车刹车的时候把车的动能快速的转换成电能。相比传统的使用锂电池的方式来储能，基于超级电容器的动能回收模块就可以应对超过六百安的瞬时电流，并且重量只有原来的1/3，那储存的电能也可以瞬间的转换成整车的动力。跟动能回收类似的是风力发，电风力发电站需要经常应对不稳定的风速瞬间产生的巨大电流，使用超级电容器可以帮助稳定风力发电机产生的瞬时电流，因此减小对于储能电池的冲击。

贴近生活的应用其实也不少，比如对于公交车来说，因为运营的需求，经常没有办法长时间的在充电站充电，或者没有足够的空间来建设专门的充电桩，而刚好公交车在每隔一段距离就可以在公交车站停靠几十秒钟，这恰好就是超级电容器最适合的使用场景。上海2020年投入使用的超级电容器公交车，就可以在每个公交车站停留了几十秒钟之内，迅速的补满到下一站的电能。同时，超级电容器几万次的超长循环寿命，也能够支撑公交车长期反复充放电的需求。还有2018年发布的三星Note 9手机手写笔就使用到了超级电容，可以在四十秒钟之内充满，并且持续的使用半个小时。虽然超级电容器目前在价格和能量密度上存在着一些限制，但是我们可以很清晰的看到它独特的优势。一方面，对于充电速度的追求贯穿我们生活的方方面面，从手机、电脑到电动车。另一方面，用户对于电池寿命的关注会越来越高，那超级电容器恰好在这两方面有着绝对的优势，相信随着新材料的使用以及产量的不断扩大，以及新的使用场景的出现，我们的生活中会越来越多的使用到超级电容器。