1 關(guān)于超級電容

電容器作為儲(chǔ)存電能的重要元件，普遍存在于各類電子設(shè)備中。為了提升電容量，科學(xué)家們不斷探索新的技術(shù)手段。盡管更換電介質(zhì)或制作成薄片都未能顯著提高電容值，但超級電容的問世徹底改變了這一狀況。我館便藏有幾枚備受贊譽(yù)的超級電容。與傳統(tǒng)電容相比，超級電容的優(yōu)勢在于能夠在相對較小的體積內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)萬倍的能量。以本館展示的四枚火炬電子制造的產(chǎn)品為例，電容值最低為0.06F，最高則達(dá)到1.5F，遠(yuǎn)勝過傳統(tǒng)電容的最大值，后者僅在uF（F的百萬分之一）級別。

2 揭秘超級電容的“超級”之處

簡單來說，傳統(tǒng)電容內(nèi)部電荷僅分布在表面，而無法深入內(nèi)部空間；而超級電容則采用特殊設(shè)計(jì)，內(nèi)部平行金屬板上覆蓋多孔碳材料，使得電荷得以分布在這些材料的表面。據(jù)測算，每克此類多孔碳材料的表面積可超2000平方米。因此，超級電容實(shí)現(xiàn)了電荷儲(chǔ)存方式從二維向三維的跨越，這便是其“超級”之處。

實(shí)際上，超級電容的起源可追溯至140多年前。1879年，德國物理學(xué)家亥姆霍茲發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的雙電層電容特性，提出了高法拉電容的概念。1957年，貝克取得了首個(gè)高比表面積活性炭電極材料的電化學(xué)電容器專利，堪稱超級電容的早期形態(tài)。然而，由于缺乏實(shí)際應(yīng)用場景，該技術(shù)并未得到廣泛關(guān)注。直至1979年，日本NEC公司開始規(guī)模化生產(chǎn)超級電容，這一技術(shù)才逐步進(jìn)入人們的視野。

3. “超級”應(yīng)用：超級電容如何超越傳統(tǒng)電池

超級電容以其優(yōu)異的性能超越諸多傳統(tǒng)電池的應(yīng)用場景。

① 替代動(dòng)力電池

眾所周知，目前主流電動(dòng)車大多采用鋰離子電池，但充電通常需要半個(gè)小時(shí)至一個(gè)小時(shí)才能達(dá)到70%-80%的電量。然而，超級電容憑借其出色的快速充電能力，只需短短數(shù)秒至幾分鐘便可充滿。

例如，2020年上海市種子中心城區(qū)的五條主要線路上新增了89輛搭載上海奧威科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的超級電容的新型公交車。這些公交車能夠一次性儲(chǔ)存40度電，能量密度高達(dá)100W/kg。得益于此，公交車在短暫?？科陂g即可完成充電，并繼續(xù)行駛至下一站點(diǎn)。充電三分鐘即可行駛十公里，滿電狀態(tài)下續(xù)航里程可達(dá)30公里。此外，2022年9月，全球首艘純超級電容動(dòng)力輪渡“新生態(tài)”號成功抵達(dá)上海，預(yù)計(jì)將于10月底投入運(yùn)營于長興、橫沙島之間的航線上。同樣受益于超級電容，該型輪渡實(shí)現(xiàn)了充電15分鐘，航行一小時(shí)的卓越表現(xiàn)。

② 替代儲(chǔ)能電池

與鋰電池相比，超級電容的循環(huán)充電壽命長達(dá)50萬至100萬次，使用壽命可達(dá)10年以上。這意味著即使經(jīng)過漫長歲月，超級電容依然保持著良好的性能。

普通電容器的電容單位通常為皮法（pF，1pF=F）或微法（μF，1pF=F），而超級電容的電容量極為龐大。例如，一個(gè)電容為5F的超級電容，加上兩個(gè)7號電池的電壓（3V），其儲(chǔ)存的電荷量（15C）堪比一道閃電。

因此，超級電容器在太陽能、風(fēng)能等清潔能源領(lǐng)域的儲(chǔ)能應(yīng)用具有重要意義。盡管太陽能和風(fēng)能是無污染且可持續(xù)的可再生能源，但由于陰影遮擋、多云天氣以及風(fēng)力風(fēng)速變化等因素導(dǎo)致其輸出不穩(wěn)定，無法直接接入電網(wǎng)。此時(shí)，將電能儲(chǔ)存在超級電容器中無疑是最佳選擇。這樣既有助于推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，又因其采用碳材料而非蓄電池，避免了重金屬污染等問題，同時(shí)還具備超長使用壽命，降低了材料消耗，堪稱綠色環(huán)保的典范。