超级电容器

超级电容器通过电极表面的快速、高度可逆过程储存电荷，与电池相比，其功率极高，循环寿命长，但能量密度较低。

Definition

一种能量存储装置，通过高表面积电极的电双层静电存储电荷，可选择性地通过快速表面氧化还原（赝电容）反应增强。

Scope

本主题涵盖电化学电容器：高表面积电极上静电荷积累产生的双电层电容，快速表面氧化还原反应产生的赝电容，所使用的材料（如多孔碳和金属氧化物），以及由此产生的能量和功率特性。它解释了超级电容器在传统电容器和电池之间的定位。

Core questions

• 电双层中的电荷存储与电池中的电荷存储有何不同？
• 什么是赝电容？它如何增加存储的电荷？
• 为什么超级电容器能实现极高的功率和卓越的循环寿命？
• 哪些材料能最大化可及表面积和电容？

Key theories

双电层电荷存储

电荷通过离子在电极-电解质界面上巨大表面积的积累进行物理存储，没有本体化学反应，从而实现快速、高度可逆的充电和放电。

赝电容

在过渡金属氧化物等材料上发生的快速、可逆的表面或近表面氧化还原反应，以类似电容器的响应存储额外电荷，将能量密度提升到纯双电层存储之上。

Clinical relevance

超级电容器在车辆中提供快速功率爆发和再生制动能量捕获，以及备用电源和负载均衡，并且越来越多地与电池配对用于混合系统，其中其高功率和长寿命补充了电池的能量密度。

History

双电层电容器的概念可追溯到赫姆霍兹19世纪的界面模型；商业设备于20世纪70年代出现，康威的工作使赝电容正式化，21世纪纳米结构碳和氧化物推动了容量的显著增长。

Key figures

• Brian E. Conway
• Hermann von Helmholtz
• Yury Gogotsi
• Patrice Simon

Seminal works

• winter2004
• simon2008
• conway1999

Frequently asked questions

为什么超级电容器的充电速度比电池快得多？

它们通过离子在电极表面物理积累来存储电荷，而不是通过缓慢的本体化学反应，因此充电和放电主要受离子移动限制，并在几秒钟内完成。

为什么超级电容器不能简单地取代电池？

表面电荷存储的单位质量能量远低于本体氧化还原化学，因此超级电容器提供高功率但能量密度低，对于大多数需要持续能量的应用来说会过于笨重。