超级电容器与电池：有什么区别？

超级电容器自 1950 年代就已经出现，但直到最近几年，它们的潜力才变得清晰起来。 让我们看看这些像电池一样存储能量但使用完全不同原理的计算机组件。

什么是电容器？

在我们讨论超级电容器之前，有必要快速解释一下普通电容器是什么，以帮助展示超级电容器的特别之处。 如果您曾经看过计算机主板或几乎任何电路板，您就会看到这些电子元件。

电容器将电能存储为静电场。 当您穿着袜子走过地毯并积累电荷时会发生同样的事情，但当您触摸门把手时才会将其放电。 你在充当电容器！

在典型的电容器内部，您会发现两个导体被绝缘材料隔开。 正电荷积聚在一个导体上，负电荷积聚在另一个导体上。 因此，两个板之间存在静电场。 设计电容器的方法有很多种，但它们都具有两个充电板和一个绝缘体（电介质）的基本组件。 绝缘体可以是空气、陶瓷、玻璃、塑料薄膜。 液体，或其他任何不利于导电的东西。

电容器在电子产品中有很多用途。 在计算机和其他数字系统中，它们确保在瞬间断电时信息不会丢失。 它们还充当过滤器，以清除可能损坏敏感电子设备的电涌。

电容器和电池有何不同

电容器和电池在某种意义上是相似的，它们都可以存储电能，然后在需要时释放电能。 最大的区别在于电容器将电能存储为静电场，而电池则使用化学反应来存储电能，然后再释放电能。

电池内部有两个端子（阳极和阴极），它们之间有电解质。 电解质是一种含有离子的物质（通常是液体）。 离子是带电荷的原子或分子。

电解液中还有一个隔板，只允许离子通过。 为电池充电时，离子会从隔板的一侧移动到另一侧。 当你给电池放电时，情况正好相反。 离子的运动以化学方式储存电能或将储存的化学能转化为电流。

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电容器与超级电容器

超级电容器也称为超级电容器或双层电容器。 超级电容器和普通电容器之间的主要区别在于电容。 这仅仅意味着超级电容器可以存储比普通电容器更大的电场。

在此图中，您可以看到超级电容器的另一个主要区别。 与电池一样（与传统电容器不同），超级电容器具有电解质。 这意味着它使用静电和电化学存储原理来保持电荷。

这是一个严重的过度简化，而真正的技术方面需要更长的时间来解释。 关于超级电容器，最重要的一点是它们提供与电容器相同的一般特性，但可以提供比经典设计高出许多倍的能量存储和能量输送。

超级电容器的优缺点

与锂离子电池等相比，超级电容器具有许多优势。 超级电容器的充电速度比电池快得多。 电化学过程会产生热量，因此必须以安全的速率进行充电，以防止发生灾难性的电池故障。 出于同样的原因，超级电容器还可以比电化学电池更快地提供存储的能量。 如果电池放电过快，也可能导致灾难性故障。

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超级电容器也比电池耐用得多，尤其是锂离子电池。 虽然您在手机、笔记本电脑和电动汽车中发现的电池在数百次充电循环后开始磨损，但超级电容器可以充电和清空超过一百万次而不会退化。 电压传输也是如此。 12V 的电池几年后可能只能提供 11.4V 的电压，但超级电容器使用十多年后仍能提供相同的电压。

与锂离子电池相比，最大的缺点是超级电容器不能像锂离子电池那样缓慢地释放其存储的电量，这使得它不适合设备必须长时间不充电的应用。

因此，就撰写本文时的情况而言，超级电容器并不是锂离子电池或其他电池技术的直接替代品，但超级电容器非常适合越来越多的工作。

超级电容器产品

您可能已经使用过包含超级电容器的产品，但您甚至都不知道。 第一个超级电容器是在 1950 年代由一位名叫 Howard Becker 的通用电气工程师制造的。 1978 年，NEC 创造了“超级电容器”这个名称，并将该设备用作计算机内存的备用电源。

今天，您会在笔记本电脑、GPS 装置、掌上电脑、照相机闪光灯和许多其他电子设备中找到它们。 Coleman FlashCell 使用超级电容器而不是电池。 这意味着它的运行时间是传统电池供电型号的一半，但充电时间为 90 秒而不是数小时。

同样，三星 Galaxy Note 9 中的 S-Pen 使用超级电容器为触控笔的无线功能供电。 大量使用几分钟或待机 30 秒后电量就会耗尽，但再次充满只需 40 秒。

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超级电容器也在混合动力和电动汽车领域找到了归宿。 它们非常适合从再生制动（一种动态的短期负载）中捕获和释放能量。 公共交通巴士或有轨电车等车辆也适用于超级电容器。 他们只需要足够的电力就可以到达下一站，在那里他们将在几秒钟或几分钟内再次充电。 由于超级电容器不会真正磨损，因此这种固定的公共交通周期对这项技术很有意义。

超级电容器是储能的未来吗？

随着超级电容器研究的进展，似乎有一天我们将拥有超级电容器电池。 这些设备将具有超级电容器的耐用性和速度，但具有电池的能量密度和较长的运行时间。 2016 年，中佛罗里达大学的科学家们创造了一种原型柔性超级电容器，其能量密度比目前的超级电容器更高，并且可以进行 30,000 次充电循环而不会退化。

纳米级的新材料和石墨烯的实验都表明具有更高能量密度的超级电容器是可能的。 即使它们无法与锂离子电池相匹敌，但可用电量加上快速充电时间也可以将它们置于电池目前发挥作用的地方。

再说一次，还有其他技术在与超级电容器竞争。 其中最重要的是传说中的固态电池，最近注入石墨烯的传统锂离子电池也显示出了希望。 无论哪种快速充电、耐用、能量密集的技术赢得比赛，我们都将成为赢家。

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