2015-12-28
超级电容器的「超级」是来与一般电容器相比拟的。超级电容器也叫法拉电容、黄金电容，是基于极板／电解液双电层理论发展起来的一类新型储能组件，具有超大的法拉级电容量。超级电容器的基本类型是利用双电层原理制成的电容器，它是超级电容器中最重要的一种类型。它和一般电容器不同，一般电容器是靠电解质极化能力取得电容量的，而双电层电容器是靠固体和固体，或液体和固体界面处存在的正负双电层来取得容量的。
双电层电容器的电容量取决于界面双电层电荷，这种电荷不同于电解质的极化电荷。因此，双电层电容器的工作原理完全不同于用氧化物介电质作储电材料的电解电容，及陶瓷电容等普通电容器，它的静电容量可达到几法拉到上百法拉，成为一种介于电容和电池之间的新型电子组件。
其实，超级电容主要的市场目标是取代二次电池，目前也仅在「能量密度」上略逊一筹而已。以目前发展趋势，相信很快就可以听到好消息了。
分类：科普 >>能源 >>评论超级电容器能以“秒级充放电”打破储能效率瓶颈，同时兼具超长寿命与极端环境适应性。
它不是普通电容器的“放大版”，更不是锂电池的“替代品”，但却凭借独一无二的储能机理，在新能源领域开辟了专属赛道。
那接下来，我们今天就以专业且易懂的问题解答形式，讲讲它到底超级在哪～
一、超级电容器的“超级性能”源于哪些底层支撑？
1、哪些技术突破推动超级电容器实现性能跃升？
超级电容器的技术演进围绕“提升储能效率”持续突破：
- 1879年，亥姆霍茨提出双电层理论，为其奠定基础；
- 1957年，Becker获得首个双电层电容器专利，实现技术雏形；
- 20世纪70年代，日本NEC、松下等企业推动碳基电极商业化，解决了早期容量不足的痛点；
21世纪后，石墨烯复合电极、钛基材料等新型载体的研发，让能量密度从传统双电层电容的3-6Wh/kg跃升至如今的10-140Wh/kg——上海奥威科技的混合型产品能量密度已达140Wh/kg，达到国际领先水平。
电解液技术也同步升级，离子液体电解液使工作温度拓展至-40℃~85℃，部分科研级产品甚至能在-70℃~80℃稳定运行，彻底突破极端环境限制。
2、超级电容器与锂电池的储能方式有何本质不同，进而造就其“超级”优势？
锂电池依赖电极与电解液的化学反应实现电荷嵌入/脱嵌，反应速率慢且伴随材料损耗；
而超级电容器通过两种可逆机制储能：
- 一是双电层电容，电荷在电极与电解液界面形成纳米级吸附层，如同平行极板快速存储电荷，无化学损耗；
- 二是赝电容，电极表面发生快速可逆的氧化还原反应，兼具物理储能的速率与化学储能的容量。
这种“物理+化学”的复合机理，使其天生具备“快响应、低损耗”的核心优势，这也是其与锂电池最本质的区别。
二、超级电容器的“超级”性能具体体现在哪些方面？
1、超级电容器为何能实现秒级快充，远超传统储能设备？
超级电容器的电荷迁移仅发生在电极表面或近表面，等效串联电阻极低，10-30秒即可充至额定容量的85%以上，远超锂电池的小时级充电时长。
以上海26路公交为例，搭载高能量密度超级电容器后，单次充电可续航20余公里，进站补能完全不影响运营效率 。且其充放电效率普遍可达95%-98%，远高于锂电池的能量利用水平。
2、超级电容器的使用寿命为何能达到百万次级，远超锂电池？
充放电过程无不可逆材料损耗，循环寿命可达10万-100万次，50万次循环后容量保持率仍超90%，同济大学研发的样品在100A/g电流密度下，一百万次循环后能量保持率更是高达93.1%。
这一寿命水平是锂电池的数十倍——商用锂电池中，三元锂电池循环寿命约1000-2000次，磷酸铁锂电池约2000-4000次，且均以容量衰减至初始80%为寿命终点。
在高频次充放电场景中，超级电容器可降低90%的维护成本，尤其适合公交、物流车等商用车型。
3、超级电容器为何能实现瞬时大功率爆发，填补传统储能空白？
功率密度可达1-20kW/kg，是锂电池的10-100倍，能快速释放大电流。
更多案例如华能伊敏电厂的全超级电容储能调频系统，响应速度较传统设备提升60%，可瞬间平抑电网功率波动，保障电力稳定。
科研级产品的功率密度更可达到29.7kW/kg，完美适配需要瞬时动力的场景。
4、超级电容器为何能在极端温域稳定运行，性能不衰减？
在-40℃极寒环境下容量保持率超85%，85℃高温下无电解液分解风险，部分采用特殊电解液的产品可在-70℃~80℃的宽温域内正常工作。
这一特性使超级电容器成为极地科考、北方户外储能的关键设备。
而锂电池在低温环境下性能衰减显著，-20℃时NCM811锂电池容量保留率仅68%，即使性能更优的LFP刀片电池也仅82%。
5、超级电容器在安全与环保层面，为何具备“超级”竞争力？
采用非燃性离子液体电解液设计，无爆炸、起火风险，充放电过程中温度变化小，安全性显著优于锂电池。
其核心材料以可回收碳基、钛基为主，无重金属污染，废弃后对环境影响极小，契合绿色储能趋势。
三、凭借“超级”性能，超级电容器已落地哪些核心场景？
凭借其独特性能，超级电容器已在诸多领域实现规模化应用：
- 交通领域，上海26路公交、有轨电车通过快速补能提升运营效率，混合动力汽车依赖其瞬时功率优化起步加速，新能源船舶也已纳入超级电容器应用规范；
- 能源领域，智能电网用其毫秒级调频，风电场、光伏电站靠其平抑功率波动；
- 极端环境中，航空航天、极地科考设备借助其宽温域特性稳定供电；
- 工业与民生领域，港口起重机、5G基站、医疗设备备用电源（如CT、血管造影机）均采用其保障连续运行，广东某三甲医院的超级电容备用电源切换时间仅2.3毫秒，满足关键医疗设备的供电要求 。
四、超级电容器将如何进一步升级，让“超级”特质更突出？
未来将聚焦“能量密度提升+成本优化”，通过碳基与赝电容材料深度融合，推动普通量产产品的能量密度也实现突破100Wh/kg，缩小与锂电池的差距；
同时推进国产化与规模化生产，降低石墨烯、钛基材料的制备成本。
而且，混合储能系统将成为主流，与锂电池、氢能技术结合，适配电动汽车、民用储能等更广泛场景。
根据共研网研究，全球超级电容器市场规模将持续增长，预计2030年可达到53.1亿美元。
我是 @海苏达，一个力求用人话讲透原理的电池/材料工程师，让我们一起来掌握更多知识吧！
