如果你认为 电力 在我们今天的生活中扮演着重要角色，你“还什么都没看到”!在接下来的几十年里，我们的化石燃料汽车和家庭供暖将需要转向电力。 以及如果我们有希望避免灾难性 气候 改变.电力是一种用途广泛的能源形式，但它 有一个很大的缺点：它相对难以快速存储。 电池可以容纳大量能量，但它们需要数小时才能 充电。另一方面，电容器几乎可以立即充电，但 只储存少量的能量。在我们的电动未来， 当我们需要存储和释放大量电力时 很快，我们很可能会转向 超级电容器 (也称为超级电容器) 两全其美。它们是什么，它们是如何工作的? 让我们仔细看看!

　　照片：一堆麦克斯韦超级电容器，用于在电动汽车中储存电力。照片由Warren Gretz提供 美国能源部/自然资源部 (美国能源部/国家可再生能源实验室)，NREL图像ID#46619。

　　如何储存电荷?

　　电池和电容器做类似的工作 - 储存电力 - 但方式完全不同。

　　电池 有两个由化学物质隔开的电端子(电极) 称为电解质的物质。当您打开电源时， 化学反应涉及电极和 电解质。这些反应将内部的化学物质转化为 电池进入其他物质，释放电流 能源 因为他们 去。一旦化学物质全部耗尽，反应就会停止，并且 电池没电了。在可充电电池中，例如 锂离子 使用的电源组 在笔记本电脑中或 MP3播放器，反应可以 愉快地朝任一方向跑步——因此您通常可以充电和放电数百个 电池需要更换之前的次数。

　　照片：典型的锌碳电池在工厂储存了电力，在必须扔掉之前只能放电一次。像这样的电池使用起来很昂贵，对环境有害——全世界每年有数十亿人被丢弃。

　　电容器 用 静电 (静电)而不是化学来存储 能源.在电容器内部，有两个导电 金属 带有称为 电介质 在它们之间——它是一个电介质 三明治，如果你愿意的话!为电容器充电有点像在跳线上摩擦气球 让它粘住。正电荷和负电荷积聚在板上，它们之间的分离，防止它们接触，是储存能量的原因。良好的电介质允许一定尺寸的电容器在相同电压下存储比较差的电容器更多的电荷，因此您可以说它使电容器作为电荷存储设备更有效。

　　相片：电子电路中的典型电解电容。每个电池存储的能量都是电池的一小部分，但可以立即充电和放电，几乎可以多次充电和放电。 与电池不同，电容器中的正电荷和负电荷完全由静电产生;不涉及化学反应。

　　与电池相比，电容器具有许多优点：重量更轻，通常不会 含有有害化学物质或有毒物质 五金，并且可以充电 并排出了无数次而不会磨损。但他们 也有一个很大的缺点：公斤对公斤，它们的基本设计 防止它们存储相同数量的任何东西 电能作为电池。

　　我们能做些什么吗?从广义上讲，您可以增加能量 电容器将使用更好的材料来存储 电介质或使用更大的金属板。存储大量 能量，你需要使用绝对巨大的盘子。雷云， 例如，实际上是存储的超巨型电容器 大量的能量——我们都知道它们有多大!什么 关于通过改善介电材料来增强电容器 盘子之间?探索这一选择促使科学家开发 20世纪中叶的超级电容器。

　　艺术品：电池非常适合在相对较小的空间内存储大量能量，但它们很重、昂贵、充电缓慢、寿命有限，并且通常由有毒材料制成。普通电容器几乎在各个方面都更好，但在存储大量能量方面却不是那么好。

　　什么是超级电容器?

　　一个 超级电容器 (或超级电容器)在两个重要方面与普通电容器不同：它的板实际上具有更大的面积，并且它们之间的距离要小得多，因为它们之间的隔板以与传统电介质不同的方式工作。虽然“超级电容器”和“超级电容器”这两个词经常互换使用，但存在差异：它们通常由不同的材料制成，结构略有不同，因此它们存储的能量量不同。出于这个简单介绍的目的，我们假设它们是一回事。

　　像普通电容器一样，超级电容器有两个分开的板。这些板由涂有多孔物质(如粉状活性炭)的金属制成，这有效地使它们具有更大的区域来存储更多的电荷。想象一下，电是一瞬间的水：普通电容器就像一块布，只能擦掉微小的溢出物，而超级电容器的多孔板使它更像一块厚实的海绵，可以吸收很多倍。多孔超级电容器板是电海绵!

　　板之间的隔板呢?在普通电容器中，板由相对较厚的电介质隔开，该电介质由云母(陶瓷)之类的东西制成，薄 塑胶 胶片，甚至只是空气(在电容器之类的东西中，充当内部的调谐拨盘 收音机).当电容器充电时，一块板上形成正电荷，另一块板上形成负电荷，在它们之间产生电场。电场使电介质极化，因此其分子与电场相反的方向排列并降低其强度。这意味着板可以在给定电压下存储更多电荷。这在你在这里看到的上图中得到了说明。

　　图稿：上图：普通电容器通过在两个金属板(蓝色和红色)上建立相反的电荷来存储静电，这两个金属板由称为电介质(灰色)的绝缘材料隔开。板之间的电场使电介质的分子(或原子)极化，使它们以与电场相反的方式排列。这降低了磁场强度，并允许电容器在给定电压下存储更多电荷。在我们的文章中阅读更多内容 电容器.

　　下图：超级电容器通过在两块极板之间产生非常薄的“双层”电荷来存储比普通电容器更多的能量，这些电荷由浸泡在电解质中的多孔，通常是碳基材料制成。这些板实际上具有更大的表面积和更少的分离，这使超级电容器能够存储更多的电荷。

　　在超级电容器中，没有电介质。相反，两个板都浸泡在电解质中，并由非常薄的绝缘体(可能由碳，纸或塑料制成)隔开。当板充电时，在隔板的两侧形成相反的电荷，产生所谓的电 双层，也许只有一个分子厚(与传统电容器中厚度可能从几微米到一毫米或更多的电介质相比)。这就是为什么超级电容器通常被称为双层电容器，也称为双电层电容器或EDLC)。如果你看一下插图中的下图，你会看到超级电容器如何像两个并排的普通电容器。

　　电容器的电容随着极板面积的增加和极板之间距离的减小而增加。简而言之，超级电容器从具有更大有效表面积(由于其活性炭结构)和更小距离(因为非常有效的双层)的板组合中获得更大的电容。

　　第一批超级电容器是在 1950 年代后期使用活性炭作为板制造的。从那时起，材料科学的进步 已经导致了由碳纳米管(使用构建的微小碳棒)制成的更有效的板的发展 纳米技术), 石墨烯、气凝胶和钛酸钡。

　　超级电容器与电池和普通电容器相比如何?

　　照片：超级电容器有时可用作电池的直接替代品。这是一个由NASA开发的用于太空的超级电容器组的无绳钻头。与普通钻头相比，最大的优势是它可以在几秒钟而不是几小时内充电。太空行走的宇航员不能总是在一夜之间等待他们的演习!图片由 NASA Glenn研究中心(NASA-GRC).

　　电容的基本单位称为法拉(F)，以英国化学家和物理学家的名字命名 迈克尔·法拉第(迈克尔·法拉第) (1791–1867).典型电容器用于 电子的 电路仅存储极少量的电力(它们通常以微法拉(百万分之一法拉)、纳法拉(十亿分之一法拉)的单位额定)， 或皮法(万亿分之一法拉)。与此形成鲜明对比的是，典型的超级电容器可以存储数千倍、数百万倍甚至数十亿倍的电荷(以法拉为单位)。Maxwell Technologies®等公司制造的最大商用超级电容器的额定电容高达数千法拉。这仍然只占您可以打包到一个电能中的一小部分(也许是10-20%)。 电池。但超级电容器的最大优点是它可以存储和释放 能量几乎是瞬间的——比电池快得多。 这是因为超级电容器通过建立静电来工作 固体电荷， 虽然电池依赖于通过化学反应缓慢产生的电荷， 通常涉及液体。

　　您经常看到电池和超级电容器在能量和功率方面进行比较。在日常用语中，这两个词可以互换使用;在科学中，功率是在一个 一定的时间.电池有更高的 能量密度 (它们每单位质量存储更多的能量)，但超级电容器具有更高的 功率密度 (它们可以更快地释放能量)。这使得超级电容器特别适合相对较快地存储和释放大量能量，但电池仍然是长时间存储大量能量的王者。

　　虽然超级电容器在相对较低的电压(可能是2-3伏)下工作，但它们可以串联连接(如电池)以产生更大的电压，用于更强大的设备。

　　由于超级电容器以静电方式工作，而不是通过 可逆的化学反应，理论上可以带电和 放电次数任意(商业规格表 超级电容器建议你可以循环它们一百万次)。 他们很少或没有内部 电阻，这意味着它们储存和释放能量 没有 用 能量很大，工作速度非常接近 100 效率百分比(典型值为 97–98%)。

　　超级电容器的用途是什么?

　　如果您需要在相对较短的时间内存储合理的能量 时间(从几秒钟到几分钟)，你有太多的能量 存放在电容器中，您没有时间为电池充电，一个 超级电容器可能正是您所需要的。超级电容器已经 广泛用作电气等效物 飞轮 在机器中——“能源” 水库“，使电力和电力和电源更加平滑 电子设备。超级电容器也可以连接到 电池来调节它们提供的电力。

　　照片：用于在混合动力公交车中存储电力的大型超级电容器。超级电容器用于再生制动器，广泛用于电动汽车。照片由NASA格伦研究中心(NASA-GRC)提供。

　　一个常见的应用是 风力涡轮机，其中非常大的超级电容器有助于平滑风提供的间歇性电力。在 电动和混合动力 车辆，超级电容器越来越多地被用作临时 能量存储 再生制动 (其中 车辆在停车时通常会浪费的能量被短暂存储，并且 然后在它再次开始移动时重复使用)。这 电机 那个驱动器 电动汽车使用额定数百伏的电源， 这意味着数百个串联的超级电容器是 需要在典型的再生物中存储适量的能量 制动。

　　由于这些应用，超级电容器的未来看起来非常光明。一个 盟军2020年报告 市场调查 2019年全球超级电容器市场估值为32.7亿美元，但预计这将 到 2027 年达到 169.5 亿美元——在短短几年内增长了五倍!