儲能技術的未來，超級電容器

（本文編譯自Electronic Design）

全球超級電容器儲能技術研究于20世紀60年代開始起步，80年代進入商業化階段，經過多年發展，超級電容器電容量大幅增加。

超級電容器具有高循環效率（超過100萬次循環）、超過95%的高充電循環次數，以及放電速度更快、使用壽命更長的特點。超級電容器的容量值通常以法拉為單位衡量，而其他類型電容器的容量值則以微法或納法為單位。

超級電容器的應用范圍廣泛，既可用作不間斷電源（UPS）中的電池替代品，也可用于改善線性穩壓器的工作性能。

電容器與超級電容器的區別

電容器是性能優良的儲能器件。以雙電層電容器為例，它比普通電容器能儲存更多電荷或能量。這種特殊器件所使用的極板，相比普通電容器具有更大的表面積和更短的極板間距。正是由于具備高儲能電荷的特性，這類電容器被特別稱為超級電容器。

超級電容器的結構包含兩塊金屬極板，極板由活性炭或碳等多孔材料制成。超級電容器中不使用單獨的電介質。金屬極板會浸泡在電解液中，隨后通過一層由碳或紙制成的薄絕緣體實現分隔。

電極的高表面積，加之相對更薄的電介質，使得超級電容器能在較小空間內儲存大量電荷。當極板完全充電時，電介質兩側會形成相反電荷，進而構成雙電層。

超級電容器的應用場景廣泛，包括電力調節、工業激光器、醫療設備、不間斷電源（UPS）、無線通信系統以及風力渦輪機等領域。通過將超級電容器串聯，可產生更高電壓，從而滿足功率更大的設備需求。

超級電容器分類

根據電荷儲存機制的不同，超級電容器可分為三類：電化學雙電層電容器、贗電容器和混合電化學電容器（見下圖）。

圖1：三種超級電容器的結構示意圖：電化學雙電層電容器（a）、贗電容器（b）、非對稱/混合電化學電容器（c）。

數十年間，超級電容器已從一種頗具吸引力的優選設計方案，發展成為在諸多應用場景中穩定可靠的技術。其應用范圍涵蓋從電池備份，到防止意外存儲內存丟失等領域。工程師們青睞超級電容器，正是因其具備多重優勢，包括出色的可靠性與性能。

超級電容器的一個重要特性是，在正常使用條件下，其充放電次數幾乎可達到數十萬次。電化學電池與超級電容器的不同之處在于，前者具有固定的循環壽命，而超級電容器即便經過多次循環，損耗依然較低。此外，相比電池，超級電容器的充放電循環速度更快，同時還能保持高效的電流處理能力。

功率密度與超級電容器

超級電容器的高功率密度使其具備快速充放電循環的特性，進而實現快速能量釋放。這類電化學電容器能夠填補電池與傳統電容器之間的應用空白，在功率儲能（即單位時間內的能量）方面擁有獨特優勢，該優勢決定了器件可依據自身重量或體積輸出能量的能力。

超級電容器的主要特性包括：

• 高功率密度：超級電容器的功率密度遠高于傳統電池，能夠快速釋放能量。這一特性在應急供電系統、電動汽車再生制動等應用場景中極具價值。

• 能量密度：盡管超級電容器的功率密度表現突出，但其先進產品設計中的能量密度通常在30至50瓦時/千克之間。這一數值低于電池，但持續的研究將有望提升該指標。

• 結構與材料：超級電容器的功率密度受其結構影響，同時也與電極材料（如碳納米管、石墨烯）的選擇以及適配電解液的使用密切相關。

超級電容器的應用前景

目前的研究工作聚焦于通過采用新型材料與穩固的結構設計，逐步提升超級電容器的性能指標。納米技術的發展以及金屬有機框架（MOFs）等先進納米材料的出現，為擴大電荷儲存可用表面積帶來巨大發展潛力。

此外，旨在降低環境影響、同時保持性能效率的超級電容器制造工藝也在研發當中。隨著各項技術的融合與成熟，預計超級電容器將在能源領域持續占據獨特的一席之地，為工業領域和消費者提供高性能的儲能解決方案。例如，目前基于低成本材料的可穿戴設備用超級電容器已處于研發階段。

結語

超級電容器憑借其高功率密度、快速充放電、長循環壽命、寬工作溫度范圍以及高安全性等獨特優勢，已在電力調節、工業激光器、醫療設備、UPS、無線通信系統、風力渦輪機等眾多領域得到廣泛應用，并取得了顯著成果。盡管目前超級電容器在能量密度等方面存在一定局限，但隨著納米技術、先進納米材料以及新型制造工藝的不斷發展，其性能指標有望持續提升，應用范圍也將進一步拓展。

此外，從市場規模來看，超級電容器產業呈現出蓬勃發展的態勢。近年來，隨著新能源行業的爆發式成長，超級電容器迎來了新一輪的增長高峰。根據超級電容產業聯盟數據顯示，2021年全球超級電容市場規模為15.9億美元，2023年全球超級電容器行業的市場規模約21億美元，預計2024-2029年全球超級電容器行業的復合增長率約為18%，到2029年全球超級電容器市場的規模有望達到57億美元左右。

超級電容器作為一種新型的高性能儲能設備，能夠有效解決能源存儲和利用過程中的諸多問題，為可再生能源的大規模應用和智能電網的穩定運行提供了關鍵支撐。同時，超級電容器產業的發展也符合全球能源結構調整和可持續發展的戰略需求，有助于減少對傳統化石能源的依賴，降低碳排放，推動能源綠色轉型。在未來的能源體系中，超級電容器有望與其他儲能技術相互補充，共同構建高效、清潔、可持續的能源存儲和利用體系，為人類社會的發展提供堅實的能源保障。