超級電容器又稱超大容量電容器、金電容、黃金電容、儲能電容、法拉電容、電化學電容器或雙電層電容器（英文名稱為EDLC，即Electric Double Layer Capacitors），是靠極化電解液來儲存電能的新型電化學裝置。它是近十幾年隨著材料科學的突破而出現的新型功率型儲能元件，其批量生產不過幾年時間。

超級電容器自面市以來，全球需求量快速擴大，已成為化學電源領域內新的產業亮點。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通訊、國防、消費性電子產品等眾多領域有著巨大的應用價值和市場潛力，被世界各國所廣泛關注。

世界著名科技期刊美國《探索》雜志2007年1月號，將超級電容器列為2006年世界七大科技發現之一，認為超級電容器是能量儲存領域的一項革命性發展，并將在某些領域取代傳統蓄電池。

一、   超級電容器工作機理與潛在優勢


超級電容之所以有巨大的電容量，是由于電容是以將電荷分割開來的方式儲存能量的。儲存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容量越大。超級電容是從多孔碳基電極材料得到其儲存電荷面積的，這種材料的多孔結構使它每克重量的表面積可達2000平方米。而超級電容中電荷分隔的距離是由電解質中的離子大小決定的，其值小于10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級電容有很大的電容量。一個超級電容單位的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。

超級電容作為一種新型儲能裝置，具有超級儲電能力。在儲能機理上，它是高度可逆的，壽命很長，可以千萬次反復地沖、放電，而且具有很大的電流，此外具有很寬的電壓范圍和工作溫度范圍。它兼具傳統電容器的大電流快速充放電特性與電池的儲能特性，填補了普通電容器與電池之間的比能量與比功率空白，其放電比功率較蓄電池高近十倍，彌補了鋁電解電容和可充電電池之間的技術缺口，同時又克服了兩者的缺陷，既具有電池的能量貯存特性，又具有電容器的功率特性，它比傳統電解電容器的能量密度高上千倍，可達1000W/kg數量級，而漏電流小數千倍。具有高至數千法拉甚至上萬法拉的超大電容量，儲電能量大、時間長；能夠瞬間釋放數百至數千安培電流，大電流放電甚至短路也不會對其有任何影響；可充放電10萬次以上而不需要任何維護和保養，壽命長達十年以上。可用于以極大電流瞬間放電的工作狀態，而不易產生發熱著火等現象；且充電時間很短，可在幾秒之內完成，是一種理想的大功率二次電源。它可在極低溫等極端惡劣的環境中使用，并且無環境污染。具有安全可靠、適用范圍寬、綠色環保、易維護等特點，是改善和解決電能動力應用的突破性元器件。

超級電容電阻很小：采取特別工藝措施，保證其ESR（等效串聯電阻）遠遠小于其它電容的ESR。具有動力儲存性能的超級電容很小的ESR，意味著高速率充放電情況下有很大的功率儲存能力。

超級電容壽命超長：超級電容可以有成千上萬次沖放電循環，而蓄電池只有幾百次循環。超級電容可以頻繁地釋放能量脈沖而不會有有害的后果，但蓄電池如果頻繁地釋放能量脈沖就會降低壽命。

超級電容安全可靠：在其額定電壓范圍內可以任意充電至任意電壓值，而放電時可以放出所儲存的全部能量，失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠。

超級電容儲能巨大：與同樣大小的傳統電容相比，超級電容所儲存的電能遠遠大于傳統電容所儲存的電能。

超級電容充電快速：可以快速充電和大電流充電，10秒鐘內達到額定容量的95%；充電時間短；充放電能力強；對充放電電路要求簡單。

 

二、新材料催生高端新產品

 

從結構上看，超級電容器主要由電極、電解質、隔膜、端板、引線和封裝材料組成，其中電極、電解質和隔膜的組成和質量對超級電容器的性能起著決定性的影響，采用何種電極板和電解質材料將基本決定最終產品的類型與特性。

2007年1月16日，美國得州一家研制電動汽車儲能裝置、名為EEStor的公司打破沉默，對外宣告了他們“里程碑”式的成果：他們的自動生產線已經由獨立的第三方分析驗收，其產品的關鍵物質鋇鈦酸鹽粉末已經完成了最初的純化，純度達到了99.9994%。

這一技術一旦進入成熟的工業生產，他們所研制的新型超級電容器動力系統將替代包括從電動汽車到筆記本電腦的一切電化學電池。

人們最初懷疑EEStor公司這一揚言的可信度，但現在看來，他們還真不太像是在“吹牛”。

按照2006年4月發表的專利，EEStor這種能量存儲裝置是用陶瓷粉末涂在鋁氧化物和玻璃的表面。從技術上說，它并不是電池，而是一種超級電容器，它在5分鐘內充的電能可以讓一個電動車走500英里，電費只有9美元。而燒汽油的內燃機車走相同里程則要花費60美元。

與傳統的電化學電池相比，超級電容器有很多好處。它可以無限制地接受無數次放電和充電，換句話說，超級電容器沒有“記憶”。但是，一般的超級電容器也有其弱點，就是能量存儲率有限，今天市場上的高端超級電容器每磅的存儲能量只有鋰電池的1/25。

而EEStor開發的超級電容器，由于鋇鈦酸鹽有足夠的純度，存儲能量的能力大大提高。EEStor公司負責人聲稱，該超級電容器每公斤所存儲的能量可達0.28千瓦時，相比之下，每公斤鋰電池是0.12千瓦時，鉛酸電池只有0.032千瓦時，這就讓超級電容器有了可用在從電動車、起搏器到現代化武器等多種領域的可能。

好的鉛酸電池能充電500～700次，而根據EEStor的聲明，新的超級電容器可反復充電100萬次以上，也不會出現材料降解問題。而且，由于它不是化學電池，而是一種固體狀態的能量儲存系統，不會出現鋰電池那種過熱甚至爆炸的危險，沒有安全隱患。

早在2004年5月，EEStor公司就聲稱，他們已經制造出一種每千瓦時的成本價格是鉛酸電池的一半、能量儲存率是鉛酸電池10倍的超級電容器。這種產品重約336磅(153公斤)，可以儲存52千瓦時的能量，這種系統將戲劇性地從能量密度、價格到充電時間和安全性上都超過目前市場的鋰電池。這種技術是以鋇鈦酸鹽為電介質的一個基本平行板電容器，制造這種陶瓷電池-超級電容器技術系統不需要有毒材料和化學物質。

EEStor的雄心來自其“替代電氣化學電池”的專利。EEStor在2004年就開始計劃建造自己的裝配線，進而獲得批量生產的技術許可。從他們的計劃看，其裝置在生產成本上也有可能比傳統鋰電池更具有優勢。

有評論說，這一發明的意義相當重大，該突破不僅從根本上改變了電動車在交通運輸中的位置，也將改進諸如風能、太陽能等間歇性能源的利用性能，增進了電網的效率和穩定性，滿足人們能源安全的需求，減少對石油的依賴。

顯然，該突破也對下一代鋰電池的研制者造成威脅。EEStor公司負責人暗示，他們的技術不僅適用于小型旅客電動車，還可能取代300馬力的大型汽車。

 

三、國內外研發態勢

 

目前全球已有上千家超級電容器生產商,可以提供多種類的超級電容器產品,但大部分產品都是基于一種相似的雙電層結構。

超級電容器在結構上與電解電容器非常相似,它們的主要區別在于電極材料。早期的超級電容器的電極采用碳,碳電極材料的表面積很大,電容的大小取決于表面積和電極的距離,這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離,使超級電容器的容值可以非常大,大多數超級電容器可以做到法拉級,一般情況下容值范圍可達1-5000F。

超級電容器也可以分為兩類:一類以活性炭材料為電極,以電極雙電層電容的機制儲存電荷,通常被稱作雙電層電容器(DLC)；另一類以二氧化釕或者導體聚合物等材料為陽極,以氧化還原反應的機制存儲電荷,通常被稱作電化學電容器。

超級電容器根據制造工藝和外形結構可劃分為鈕扣型、卷繞型和大型三種類型,三者在容量上大致歸類為5F以下、5-200F、200F以上。鈕扣型產品具備小電流長時間放電的性能,可用在小功率電子產品及電動玩具產品中做電源,或在帶時鐘的產品應用上進行數據存儲,如錄音機、MP3、家用電器、汽車音響等。而卷繞型和大型產品則多用于大電流短時放電,在有記憶儲存功能的電子產品中做后備電源,注重數據保護和備份,適用于帶CPU的智能家電、工控和通訊領域中的存儲備份部件。

超級電容器按電極結構可分為以下三類：

1、碳-碳雙極板對稱結構超級電容器

正負電極采用了超大比表面積材料，這種超級電容器儲能方式屬于靜電儲能，能量儲存與釋放不涉及伴隨質量轉移的氧化還原過程，能量儲存與釋放速度很快，時間常數小，充放電次數可達到50萬次，該類電容器目前主要應用于瞬時高功率輔助。

2、過渡金屬氧化物超級電容器

電極反應是以快速法拉第氧化還原反應為基礎，絕大多數電荷轉移發生在固體電極的表面或表面附近的薄層內。儲存容量通常比雙電層材料大很多，其能量密度較高，此類超級電容器目前還處在實驗室開發階段，作為電極材料的各種過渡金屬氧化物和聚合物制作工藝及最佳特性還在摸索過程中。