超級電容器與電池：有什麼區別？

超級電容器自 1950 年代就已經出現，但直到最近幾年，它們的潛力才變得清晰起來。 讓我們看看這些像電池一樣存儲能量但使用完全不同原理的計算機組件。

什麼是電容器？

在我們討論超級電容器之前，有必要快速解釋一下普通電容器是什麼，以幫助展示超級電容器的特別之處。 如果您曾經看過計算機主板或幾乎任何電路板，您就會看到這些電子元件。

電容器將電能存儲為靜電場。 當您穿著襪子走過地毯並積累電荷時會發生同樣的事情，但當您觸摸門把手時才會將其放電。 你在充當電容器！

在典型的電容器內部，您會發現兩個導體被絕緣材料隔開。 正電荷積聚在一個導體上，負電荷積聚在另一個導體上。 因此，兩個板之間存在靜電場。 設計電容器的方法有很多種，但它們都具有兩個充電板和一個絕緣體（電介質）的基本組件。 絕緣體可以是空氣、陶瓷、玻璃、塑料薄膜。 液體，或其他任何不利於導電的東西。

電容器在電子產品中有很多用途。 在計算機和其他數字系統中，它們確保在瞬間斷電時信息不會丟失。 它們還充當過濾器，以清除可能損壞敏感電子設備的電湧。

電容器和電池有何不同

電容器和電池在某種意義上是相似的，它們都可以存儲電能，然後在需要時釋放電能。 最大的區別在於電容器將電能存儲為靜電場，而電池則使用化學反應來存儲電能，然後再釋放電能。

電池內部有兩個端子（陽極和陰極），它們之間有電解質。 電解質是一種含有離子的物質（通常是液體）。 離子是帶電荷的原子或分子。

電解液中還有一個隔板，只允許離子通過。 為電池充電時，離子會從隔板的一側移動到另一側。 當你給電池放電時，情況正好相反。 離子的運動以化學方式儲存電能或將儲存的化學能轉化為電流。

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電容器與超級電容器

超級電容器也稱為超級電容器或雙層電容器。 超級電容器和普通電容器之間的主要區別在於電容。 這僅僅意味著超級電容器可以存儲比普通電容器更大的電場。

在此圖中，您可以看到超級電容器的另一個主要區別。 與電池一樣（與傳統電容器不同），超級電容器具有電解質。 這意味著它使用靜電和電化學存儲原理來保持電荷。

這是一個嚴重的過度簡化，而真正的技術方面需要更長的時間來解釋。 關於超級電容器，最重要的一點是它們提供與電容器相同的一般特性，但可以提供比經典設計高出許多倍的能量存儲和能量輸送。

超級電容器的優缺點

與鋰離子電池等相比，超級電容器具有許多優勢。 超級電容器的充電速度比電池快得多。 電化學過程會產生熱量，因此必須以安全的速率進行充電，以防止發生災難性的電池故障。 出於同樣的原因，超級電容器還可以比電化學電池更快地提供存儲的能量。 如果電池放電過快，也可能導致災難性故障。

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超級電容器也比電池耐用得多，尤其是鋰離子電池。 雖然您在手機、筆記本電腦和電動汽車中發現的電池在數百次充電循環後開始磨損，但超級電容器可以充電和清空超過一百萬次而不會退化。 電壓傳輸也是如此。 12V 的電池幾年後可能只能提供 11.4V 的電壓，但超級電容器使用十多年後仍能提供相同的電壓。

與鋰離子電池相比，最大的缺點是超級電容器不能像鋰離子電池那樣緩慢地釋放存儲的電量，這使得它不適合設備必須長時間不充電的應用。

因此，就撰寫本文時的情況而言，超級電容器並不是鋰離子電池或其他電池技術的直接替代品，但超級電容器非常適合越來越多的工作。

超級電容器產品

您可能已經使用過包含超級電容器的產品，但您甚至都不知道。 第一個超級電容器是在 1950 年代由一位名叫 Howard Becker 的通用電氣工程師製造的。 1978 年，NEC 創造了“超級電容器”這個名稱，並將該設備用作計算機內存的備用電源。

今天，您會在筆記本電腦、GPS 裝置、掌上電腦、照相機閃光燈和許多其他電子設備中找到它們。 Coleman FlashCell 使用超級電容器而不是電池。 這意味著它的運行時間是傳統電池供電型號的一半，但充電時間為 90 秒而不是數小時。

同樣，三星 Galaxy Note 9 中的 S-Pen 使用超級電容器為觸控筆的無線功能供電。 大量使用幾分鐘或待機 30 秒後電量就會耗盡，但再次充滿只需 40 秒。

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超級電容器也在混合動力和電動汽車領域找到了歸宿。 它們非常適合從再生製動（一種動態的短期負載）中捕獲和釋放能量。 公共交通巴士或有軌電車等車輛也適用於超級電容器。 他們只需要足夠的電力就可以到達下一站，在那裡他們將在幾秒鐘或幾分鐘內再次充電。 由於超級電容器不會真正磨損，因此這種固定的公共交通週期對這項技術很有意義。

超級電容器是儲能的未來嗎？

隨著超級電容器研究的進展，似乎有一天我們將擁有超級電容器電池。 這些設備將具有超級電容器的耐用性和速度，但具有電池的能量密度和較長的運行時間。 2016 年，中佛羅里達大學的科學家們創造了一種原型柔性超級電容器，其能量密度比目前的超級電容器更高，並且可以進行 30,000 次充電循環而不會退化。

納米級的新材料和石墨烯的實驗都表明具有更高能量密度的超級電容器是可能的。 即使它們無法與鋰離子電池相匹敵，但可用電量加上快速充電時間也可以將它們置於電池目前發揮作用的地方。

再說一次，還有其他技術在與超級電容器競爭。 其中最重要的是傳說中的固態電池，最近注入石墨烯的傳統鋰離子電池也顯示出了希望。 無論哪種快速充電、耐用、能量密集的技術贏得比賽，我們都將成為贏家。

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