自工业革命以来，人类一直在通过化石燃料的大量燃烧来推动工业发展，越来越多的技术需求让人类不断的探索可再生资源，来自可再生能源的能源要在需要时进行存储和使用，而储能和积累是可再生能源利用的关键部分。
随着内燃机向电动替代品的过渡，利用电池储能被推上了风口浪尖。特别地，电化学超级电容器（SC）比电池更受关注，它的快速存储能力和增强的循环稳定性在近年来受到广泛研究，而且其在填补电池与现有电解电容器技术之间的差距上存在巨大潜力。
图一 关于超级电容器研究活动的统计调查
什么是超级电容器
超级电容器也称为双层电容器或电化学电容器，两电荷层的距离非常小（一般0.5mm以下），采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。
超级电容器是近年来吸引众多科学家关注的一种新型储能系统。简单来说，可以把超级电容器想象成普通电容器和电池的结合体，只不过，它与这两者都不一样。
超级电容器储能应用
超级电容器储能开发已有50多年的历史，近二十年来技术进步很快，使它的电容量与传统电容相比大大增加，达到几千法拉的量级，而且比功率密度可达到传统电容的十倍。
超级电容器储能将电能直接储存在电场中，无能量形式转换，充放电时间快，适合用于改善电能质量。由于能量密度较低，适合与其他储能手段联合使用。
超级电容器的种类
超级电容器属于湿电解电容器的范畴，使用含有离子（带电配合物）的液体电解质来确保电荷传输。其根据储能原理可分为三大类：
第一类包括了双电层电容器（EDLC），该种电容器使用液体电解质非质子性溶剂，如PC、DEC、DME等。
第二类包括了所谓的伪超级电容器（法拉第超级电容器），这种电容器的使用频率远低于EDLC超级电容器，在工作原理上更像是一种电池。
第三类为混合超级电容器，这类电容器顾名思义结合了EDLC和伪超级电容器，具有更高的体积和重量能量密度以及具有提供高电流的能力。
图二 超级电容器的种类
超级电容器和锂电池工作原理的差别
超级电容器和电池，它都是电能存储系统。如果我们看一下锂离子电池，它完全依赖于化学反应。它由正极和负极组成，技术上称为阳极和阴极。
这两侧浸没在液体电解质中，并由微孔隔板隔开，只允许离子通过。在锂电池充放电期间，离子倾向于在阳极和阴极之间来回流动。
当这些离子转移的时候会导致电池发热、膨胀，然后收缩。这些反应会逐渐使电池退化，从而导致电池寿命缩短。然而，锂电池技术的一个显着优势是它具有非常高的比能量或能量密度，可以储存能量供以后使用。
锂离子电池工作原理
但超级电容器不同：它不依赖于化学作用来发挥作用。相反，它在其中以静电方式存储电能。超级电容器在它的极板之间使用电介质或绝缘体来分离在每一侧极板上积聚的正(+ve)和负(-ve)电荷。正是这种分离使设备能够存储能量并快速释放能量。
它基本上可以捕获静电以备将来使用。这样做最显着的优势是，现在的3V电容器在15-20年后仍将是3V电容器。相反，锂离子电池可能会随着时间的推移和重复使用失去电压容量。
超级电容器工作原理
此外，与锂电池同，超级电容器具有更高的功率吞吐量，这意味着它可以在很短的时间内充电和放电。尽管如此，与电池相比，它的比能量非常低。超级电容器最适合容量较小但是功率爆发的应用场合。
超级电容器和锂电池相比有哪些优势
超级电容器图片
这个问题的答案在很大程度上取决于它的应用场合。每种储能技术都有一些明显的优点和缺点。如前所述，锂电池的能量密度比超级电容器高得多。
这意味着电池更适合更高能量密度的应用，例如，设备需要在一次充电后长时间运行的应用。另一方面，超级电容器的功率密度比电池高得多。这使得它非常适合为电动汽车供电等高耗电应用。
超级电容器的寿命也比电池长得多。普通锂电池可以处理大约2000-3000次充电和放电循环，而超级电容器通常可以维持超过100万次充放电，这样它可以节省大量的材料和成本。
超级电容器可以在几秒钟内充电，与依赖内部化学反应并因此很快磨损的化学电池不同，超级电容器不会随着时间的推移而退化。今天的2.7伏超级电容器将在15年后成为2.7伏超级电容器。相比之下，当前所有的电池设计都会逐渐降低性能，这意味着您今天的12伏电池可能在短短三年内变成11.4伏电池。
虽然与锂电池重量相同的超级电容器可以容纳更多电力，但其瓦特/千克（功率密度）比锂离子电池高出10倍。然而，超级电容器无法缓慢放电意味着其瓦特小时/千克（能量密度）只有锂离子电池的一小部分。
储能机制
SC的能量存储机制可以用三种类型的电容行为来解释：
（1）电化学双电层电容器（EDLC）使用在电极界面处积累的纯电荷
（2）伪电容（PC）从快速和可逆的表面氧化还原过程发展而来，
（3）混合电容器利用上述两种机制
电化学双层电容器
EDLC的有效表面空间最大，电荷分离距离最小，和传统电容器相比具有更高的能量密度。EDLC最初为亥姆霍兹模型（相反的电荷在电极/电解质界面处分层，并按原子距离分开，类似于两板式传统电容器）。
而后，被修改为扩散层模型（此时，当点电荷靠近电极表面时，大幅度的电容会随着点电荷的增加而上升），最终解释为二者的组合模型。
EDLC在规划器电极表面的导电性由电极和电解质上的电场以及它们之间的化学亲和力控制。由于电极具有多孔结构的高比面积，因此EDLC行为高度依赖于孔隙率。
因此，受限系统中颗粒的运输受到诸如曲折传质路径的亲和力，孔隙内的面积约束，与溶液相关的电现象以及溶液的孔隙表面润湿性等因素的关键控制。
图三 由多孔电极材料制成的EDLC的示意图
伪电容
PC机制基于法拉第电荷过程（通过化学物质的氧化或还原在电极界面上的电子转移），该过程可以是可逆的或不可逆的。在可逆过程中，在化学反应（氧化/还原）过程中不会产生新的化学物质，并且在不可逆的法拉第过程中产生新的化学物质。
电解质和固体材料之间的相互作用涉及法拉第反应，以反映电荷转移的机制，通常也会涉及到表面吸附，依赖于表面机理。
优势及发展方向
（1） 超级电容器在相同体积下可以提供数百到数千倍的功率，可适用于那些需要功率突发但不需要高能量存储容量的应用；
（2） 其不仅可以在几秒钟之内放电，还可以在很短的时间内充电，对于能量回收系统来说是非常重要的一个优势；
（3） 由于其内部的电荷存储机制，超级电容器可以承受数百万次的循环，具有循环寿命；
（4） 在高功率额定充放电中，超级电容器比普通电池更安全。
表1 电化学储能技术比较表
表2 电池和超级电容器之间的比较
关于未来超级电容器的发展应关注以下几点：
1. 为了避免电解质的化学分解，现有电容器电池的工作电压较低
2. 基于现有的锂离子电池，研制开发出混合锂离子超级电容器，以更新替换掉传统锂离子电池
3. 着重解决超级电容器低能量密度和高价格的限制问题
4. 除技术因素外，还要考虑在进行工业化生产过程中的基础建设、可持续发展等问题
原文始发于微信公众号（艾邦储能与充电）：什么是超级电容器？与锂电池储能有何不同？