超级电容器，我叫你“电池”，你敢答应吗？

电池在日常生活中无处不在，但是对于很多读者来说，电容器、超级电容器可能会有点生疏。事实上，电池和电容器在生产和生活中得到了广泛而重要的应用，它们也是化学储存电能和物理储存电能的典型代表。特别是超级电容器，结合了电容器和电池的特点，原则上兼容并包，成为一种特性独特、应用广泛的电化学器件。随着化学、物理和材料科学的发展，化学储电和物理储电的界限越来越模糊。为了更好地满足人类的需求，服务于社会发展，电池、电容器和超级电容器正在相互提取其精华。

01、了解电能的储存

电力发展与应用是人类走向现代化的关键，使人类能量应用达到一个新的高度。灯光、电报、电脑、移动通信设备，现代人类对电能的需求和应用日新月异。在发电站，电能是通过热能、机械能、太阳能、风能等能源产生的，可以通过电网传输到用电单位，不需要依靠特殊的工作物质(工作物质)进行传输和应用。这个特点是它广泛使用的关键，但也是它储存的障碍。

除了生产和运输电能外，其高效储存和释放也是当前学术界和工业界的重点。开发储存电能有很多目的，但归根结底只有两个目的：一是在上游生产端调控并网，二是在下游使用端离网应用。对于电能的上游生产端来说，风能、太阳能等。只能间歇供应产生电能，这与电网供电的稳定需求存在天然差异。为了实现供需平衡，有必要储存和释放电能。对于下游用户来说，虽然现在电能可以输送到家家户户，但一方面，用电峰谷不平衡和稳定的电能供应也存在天然差异；另一方面，脱离电网的电能需求，如电动汽车、户外用电、移动通信设备等。，都需要储存和释放电能。

但是遗憾的是，电能的传输和使用不需要工质，这使我们很难找到合适的物体或设备，直接储存电能。超导或许是问题的最终解决方案，直接将电能的重要载体-电子-无障碍地保存在超导器件中。但是由于超导装置需要低温，所消耗的电能远远大于超导装置所储存的能量。所以，在实际使用常温超导之前，最经济的选择就是开发储能装置。

当我们考虑电能储存装置时，最本质的需求是能够储存。 / 释放多少能量？例如，在初中物理学中，我们已经掌握了计算电能的基本公式：

其中 Δ U 是储存 / 释放 / 传递的电能量(单位焦耳)，Δ V 电能正负之间的电势差或电压(单位伏特)，Q 为储存 / 释放 / 电力传递(单位库伦)。如果电能传递为恒电压和恒电流，Q 等于电流(单位安培)乘以时间 t。当然，这篇文章并不是关于初中物理电学的一部分，但是从上面的公式(1)可以帮助我们理解当我们想要储存电能的时候应该做什么:提高电压。 Δ V，增加储存的电量 Q。

02、化学电源电池和物理电源电容器

目前，电池和电容器(以及超级电容器)是储存电能的两种主流方式，也是化学储存电能和物理储存电能的代表性设备。

图 1 电池、电容器的结构和原理示意图。图为设备的放电状态。

2.1 化学电源-电池

电池是目前应用最广泛的电能储存、转换设备。其原理是选择设计。自发（Δ G<<0)并且包括电子转移化学变化将氧化和还原的半反应物理隔离，通过外部电路引导电子释放电能，同时内部电路离子迁移完成反应电路。上述过程直接将自由能转化为电能:

其中 Δ G 吉布斯自由能作为反应(也是可以存储的电能量) Δ U 相反数；单位为千焦 / 摩尔），n 电子转移数为化学变化，F 法拉第常数，Δ V 反应电势差(电压)。与化合物燃烧产生的热能-热能驱动活塞转化为机械能-机械能转化为电能的发电过程相比，储能电池避免了热能到化学能的效率受到卡诺循环理论效率的限制，没有机械能-电能转化的热效消耗，因此具有最高的化学能-电能理论转化效率。

如图 1 如左图所示，以目前广泛使用的锂电池为例。当电池放电时，外部电路中的电子从负极开始，通过电器到达正极。正极材料获得电子氧化反应，锂离子嵌入正极材料中，以确保正极材料不带电。当锂离子离开负极，进入电解质溶液时，负极材料会失去电子，产生氧化反应。由于正负得失电子，随着带正电的锂离子的得失，电池在运行状态下不会携带电荷，释放出来的电能电压来自正负极材料的化学势差。锂电池中，锂离子通过锂离子嵌入而不是直接得失电子。 / 脱离充放电过程，电池工作下固态正负极材料结构稳定，电解液中锂离子浓度稳定，使电池工作电压稳定，是锂电池商业化成功的关键。

2.2 物理电源-电容器

与使用化学变化来储存电能的化学电源-电池相比，电容器的原理更直接。让我们回到中学物理课上的平板电容的课程，如图所示。 1 如图所示，电容器在运行过程中没有化学变化，充电后的电容器负极材料表层携带过多的电子，这些电子相应数量的正电保存在正极材料中表层。当电容器放电时，负极过量的电子通过电器到达正极，正极携带的正电被中闭，负极材料回到电中性。对于平板电容器，其存储的电荷和能量可以通过公式(3)和公式(4)处理:

其中 Q 存放在电容器中的电荷量，Δ V 这是电容器的电压，C 电容器的电容大小。可以发现，电容器的电容大小 C 介电常数与电容器的材料和结构有关，其中介电常数是材料的关键物理量。 ε：

在公式(5)中，S 电极面积为平板电容器，d 就是平板间的距离，ε 在电容电极之间电介质的介电常数。电介质是一种不导电的物质，具有一定的极性。当被添加到电场中时，它会被电场线定向排列，形成与外部电场方向相反的反电场。电介质形成的反电场越强，电容器的正负极板就需要聚集更多的电荷来抵消，从而提高了电容器储存电荷的能力——即提高电容器的储电能力。

2.3 电池 vs. 电容器

当我们比较电池和电容器的储电原理时，我们可以发现它们各自的特点:电池储电量大，放电平台稳定，放置时间长，但充电时间长。 / 放电速度慢；电容储电量小，放电平台不稳定，放置时间短，但充电时间短。 / 快速放电。

为了理解电池和电容器的区别，大家不妨关注一下它们在充电的时候，到底是为了达到什么目的。如图 2 如左图所示，电池充电时，充电器负极与电池负极相连，因为充电器负极的氧化性(给电子的能力)比电池负极材料更强，电池负极材料本着“菜被打”的原则，会得到电子的氧化反应；同时，为了保证材料的电中性，带正电的正离子会进入负极材料，形成电池负极的充电产品。电池正极在充电时与负极反应相似。由于电池是利用电极中大量材料的氧化还原反应来储存电能，因此其电荷储存量非常大，例如锂电池可以实现。 300Wh/kg 能量密度(单位重量存储的电能，即每公斤电池存储的电能。 0.3 度电）。相应地，由于电极材料的氧化还原反应依赖于电极材料，电池的正负极材料通常是氧化物、碳材料、氮化物等非优秀导体。此外，电极材料中化学变化的速度和离子的转移速度较慢，因此电池的充放电速度与电容器相比较慢。由于电池的正负极都是电中性的，所以电池内部没有电场存在，可以长时间储存，所以充满了断掉充电器。

对电容器而言，如图所示 2 如右图所示，电容器的正负都是导体，所以当电容器与充电器连接时，电容器的负极会得到电子，目标是与充电器的负极形成等势体(导体的固有属性)。；类似地，在与充电器正极电势相同之前，电容器的正极电子将被移走。在这个过程中，电子实际上是通过充电器从电容器的正极转移到负极的。最终目标是电容器的正负分别与充电器的正负形成等势体。—— 5V 充电器自然会将电容充电到电容充电 5V。但是，究竟正负之间转移了多少电荷(或负极积累了多少电子)，与电容器内部的电介质有关。以 5V 以充电器充电为例，随着正负电荷的积累，电容内部产生电场，场强场强。 E 乘以正负间距 d，这是电容器的电势差 Δ V。

充电的目标非常明确，即正负电势差达到 5V。但是由于电介质的极性会产生反电场，从而削弱电容器内部电场。 E，所以，正负极板需要积累更多的电荷，增加电场。 E，以实现 Δ V=5V 目标-电解质产生反电场的能力越强，电容器能储存的电荷就越多，也就是能量就越多。

根据导体等势体的特点，电容器的正负极板只能在电极表面储存电荷，自然储存的能量很少(一般小于 10 Wh/kg）。但是从充放电速度来看，电子在导体中的传输速度非常快，所以基于物理原理储存电能的电容具有更好的充放电速度，充放电功率远远大于电池。(虽然电容容量很低，但是满电的时间是毫秒级，而且电池超快充也需要 20~30 分钟级，即电容器的充电效率是电池。 100 万倍。）另外，由于满电后电容极片携带电荷，内部有电场，即电容器充满后处于“不稳定”状态，电容器在放置过程中会以更快的速度自放电(跑电)，不能像电池一样长时间保存备用。

03、超级电容器

如前所述，电池利用化学变化来储存能量，储存得多但速度慢；电容器利用物理原理储存电荷，储存得快但少。能否结合两者的特点，发展迅速、良好的电能储存设备？

超级电容器可能是一个很好的切入点。就名称而言，超级电容器似乎只是一个电容器 pro max 版本，但实际上，超级电容的“非常”并非简单的电容升级版，而是一种综合利用电池和电容原理的装置。对电容而言，其物理储电原理可以实现设备的快速充放电，即满足实际角度的大功率需求。回顾前面的公式(5)，由于电容器的结构限制，主要通过减少正负间距来提高结构视角。 d 实现，但距离太小容易短路，导致电容故障；从材料的角度来看，增加电介质的介电常数主要是通过增加电介质的介电常数来实现的。但由于电介质的分子特性，自身可以提供的反电场非常有限，限制了电容器的容量跳跃性增加。

超级电容器(以下简称“超级电”)的特点是用类似电池中含有阴阳离子的电解质代替传统电容器中的电介质，一蹴而就地实现。 d 大幅度减少(从 1mm 到 1nm，缩小 10-6 两倍；想象一下你的贷款变成了现在的贷款。 100 万分之一，就是这么十分)、电极面积 S 大幅度增加(想象一下你的工资增加 100 万倍，就是这样)。如图 3 如超级电容器充满电时，负极会携带负电，正极会携带正电。但与电容器不同的是，由于超电的内部不再是具有阴阳离子电解质的电介质分子，只能定向旋转和极化产生反电场，所以电解质中的正离子会聚集在负极的一侧，与负极板形成“双电层”；和这种一样，阳离子会迁移到正极的一侧，与正极板形成“双电层” 。

由于离子与电极之间的距离非常接近，所以每个双电层都可以看作是迁移离子与电极之间形成的“电容”，（nm 尺度)，所以公式(5) d 并且通过结构多孔、核壳等电极材料结构，可以大大增加电极材料的比表面，实现电极材料的比表面 S 跨越式提升。因此，在 S 增加与 d 在减少的情况下，超级电容器 C 跳跃性自然会增加。

图 4 超级电容的双层原理和三种常见的假电容类型 

“假电容”策略除了用电解质更换电介质，用双电层实现“非常”效果外，也是进一步提升超级电容器容量的重要途径。“假货”，顾名思义，就是假货，并非真正利用电荷积累-双单层这一原理储存电荷，而是具有类似电容的特点。“假电容”包括三个常见的原理，如低电势借机策略，将部分离子吸附在低电位下的电极表面恢复，提供额外的电荷累计；最广泛使用的是利用电极页面的氧化还原反应来储存额外的电能，而不仅仅是依靠物理电荷积累。比如二氧化、二氧化锰等电极材料，可以通过得失电子实现化合价格的变化，进而使材料表面携带额外的电荷，从而大大提高容量效果。另外，还有一种类似锂电池原理的离子插层方法，可以将电荷储存到电极上。可以发现，上述假电容策略通过额外的化学变化来提高超电储存电荷的能力，使超电容器成为物理原理和化学原理综合储存能量的代表性装置。

现在超级电容器的能量密度可以达到 40 Wh/kg，即已超过铅酸电池，虽然与锂电池相比还有较大差距(锂电池可以达到 300 Wh/kg），但是由于它结合了电池和电容器的特性，在快速充放电方面具有独特的优势，超级电容器已广泛应用于今天的生产和生活中：比如上海。 930 公交车采用超级电容器作为电能供应设备。当车辆停在站台上乘客时，可以快速补充电量，然后可以轻松驾驶补充电能到下一站继续补充电量。由于不涉及充电站充电过程，汽车运行效率高，也避免了锂电池隐性安全问题。由于不涉及充电站充电过程，汽车运行效率高，也避免了锂电池的隐性安全问题。由于超级电容器的大功率特性，它与锂电池的配合可以兼顾容量和功率优势，并逐渐应用于电网峰值调节、储能和汽车启动。相信在未来，超级电容器很快就会出现在消费电子产品上:无论是相机闪光灯，还是指挥命运者战斗时游戏手柄的强烈振动，超级电容器的大功率特性都能给用户更温暖的感觉。

结语

无论是电池、电容器还是超级电容器，科学家们都在不断探索、思考和尝试电能储存方法。我们还发现，随着科技的不断发展，物理和化学对电能的储存边界早已模糊，学术界不断努力，也是满足人们日益增长的能量需求的必由之路，综合利用各种学科知识，帮助人类发展更好的电能储存设备。

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