超級電容（Supercapacitors），又名電化學電容器，是一種功率型的儲能器件，其基本原理是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量，從而用于儲存電能。超級電容根據儲能機理的不同，可以分為雙電層超級電容器和贗電容器(法拉第未來贗電容)。與普通電容器相比，相同重量下超級電容的電能儲存量和放電時間要高出成百上千倍，而功率只有普通電容器的1/10左右。
20世紀70年代，美國和日本發明了黃金電容并實現了產業化。2020年2月，總部位于普羅旺斯的下一代能源存儲系統制造商NAWA Technologies宣稱將推進大規模生產下一代超級電容電池來解決電動汽車的充電時間長、續航里程短的問題。超級電容器是同等體積的普通電容器儲電容的數萬倍，深度充放電循環壽命可達幾十萬次，同時具備超低溫冷啟動和免維護等特點，是未來智能電網關鍵支撐部件，可用于儲能、電網調頻等領域，擁有廣闊的市場前景。
歷史沿革
18世紀中葉，萊頓大學馬森布羅克 (PieterVan Musschenbrock) 與德國馮，克萊斯特 (Ewald Geory Von Kleist) 研制出萊頓 (leyden)瓶，被公認為是所有電容器的原型。
1879年，赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann Ludwig Ferdinand Von Helmholtz) 發現界面雙電層現象，并提出了雙電層理論。
1957年，Becker獲得了雙電層電容器的專利，使電容器的產品化有了新的突破。
1969年，SOHIO公司首先實現了碳材料電化學電容器的商業化。
1979年，日本日本電氣公司開始生產超級電容器，次年的1980年，NEC/Tokin公司與松下三菱商事株式會社率先實現超級電容器的商業化生產。
20世紀90年代，Econd公司和Elit公司又推出了適合于大功率啟動動力場合的超級電容器。
1992年，美國能源部和USABC開始組織國家實驗室和工業界(如麥克斯威（上海）商貿有限公司公司、通用電氣等)聯合開發使用碳材料的雙電層超級電容器。
1996年，歐洲共同體制定了電動汽車超級電容器的發展計劃，由SAFT公司領導，目標是比能量達到6Wh/kg，比功率達到1500W/kg，循環壽命超過10萬次，滿足電化學電池和燃料電池電動汽車的要求。
2007年1月，美國《探索》雜志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。
2020年2月，總部位于普羅旺斯的下一代能源存儲系統制造商NAWA Technologies宣稱將推進大規模生產下一代超級電容電池來解決電動汽車的充電時間長、續航里程短的問題。
主要結構
超級電容器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1F-5000F（一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電壓是1伏，這個電容器的電容就是1F）。
超級電容器通常包含雙電極、電解質、集流體、隔離物四個部件。超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的電容的。在超級電容器中，采用活性炭材料制作成多孔申極司時在相對的兩個多孔炭電極之間充填電解質液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質溶液中的正陰離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成雙集電層。超級電容器的工藝流程為：配料→混漿→制電極→裁片→組裝→注液→活化→檢測→包裝。
工作原理
與傳統的化學儲能電源不同，超級電容器是介于傳統電容器和電池之間的一種電源，主要依靠氧化還原贗電容和雙電層電容充電以存儲電能。儲能過程中沒有化學反應，所以反應過程是可逆的。正是因為超級電容器可以反復充放電幾十萬次，其基本原理和其他種類的雙層電容器一樣，是利用活性炭多孔電極和電解液組成的電雙層結構來獲取大容量的。
超級電容器是一種通過電極材料與電解質界面上離子的可逆吸附實現能量存儲與釋放的電化學儲能裝置。當在其兩端施加電壓時，正負電荷分別積累于對應的多孔電極表面；電解質溶液中的正負離子受電場作用，會在相反極性的電極-電解質界面處聚集，形成兩個雙電層結構。雙電層的電荷分離距離極小（約0.1-1納米），遠小于傳統電容器的極板間距，因此其單位面積電容值顯著高于傳統電容器，從而實現大容量電能存儲。
分類
超級電容器按其儲能原理可分為兩類：雙電層電容器和贗電容器(法拉第未來贗電容)。根據所使用電解質體系的不同，可以分為液體電解質超級電容器以及固體電解質超級電容器。
雙電層電容器
雙電層電容器(electrochemical double layercapacitIDr，EDLC)是一種利用電極和電解質之間形成的界面雙電層電容來存儲能量的裝置，其儲能機理是雙電層理論。雙電層理論最初在19世紀末由德國物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann Ludwig Ferdinand Von Helmholtz) 提出，后來經Gouy、Chapman和Stem根據粒子熱運動的影響對其進行修正和完善，逐步形成了一套完整的理論，為雙電層電容器奠定了理論基礎。雙電層理論認為，當電極插入電解液中時，電極表面上的凈電荷將從溶液中吸引部分不規則分配的帶異種電荷的離子，使它們在電極一溶液界面的溶液一側離電極一定距離排列，形成一個電荷數量與電極表面剩余電荷數量相等而符號相反的界面層。
雙電層電容器是利用雙電層機理實現電荷的存儲和釋放從而完成充放電的過程。充電時電解液的正陰離子聚集在電極材料/電解液的界面雙層，以補償電極表面的電子。尤其是在充電強制形成離子雙層時，會有更多帶相反電荷的離子積累在正負極界面雙層，同時產生相當高的電場，從而實現能量的存儲。放電時，隨著兩極板間的電壓降低，正負離子電荷返回到電解液中，電子流入外電路的負載，從而實現能量的釋放。
法拉第贗電容器
法拉第贗電容器是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電極活性物質進行欠電勢沉積，發生高度可逆的化學吸附脫附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。法拉第贗電容可通過兩種方式來存儲電荷：一種是通過雙電層上的存儲實現對電荷的存儲；另一種是通過電解液中離子在電極活性物質中發生快速可逆的氧化還原反應而將電荷儲存。法拉第贗電容的產生過程雖然發生了電子轉移，但不同于電池的充放電行為，其具有高度的動力學可逆性，且更接近于電容器的特性。
目前研究認為，法拉第未來贗電容的儲能機理主要分為以下兩部分：①表面吸脫附儲能。在電極表面的二維空間上，在外加電場的作用下，電解液中的陽離子從電解液中擴散到溶液/電極的界面上，在電極表面上實現了離子的吸附，從而存儲電荷；將外加電場撤掉后，電極表面上吸附的離子發生了脫附，離子重新返回到電解液中，從而存儲的電荷被釋放出來。表面吸脫附儲能過程可表述為：
（MOx)surface+C++e-?（MOx-C+)surface
式中，C+代表 H+、Li+、Na+、K+、Ca2+等陽離子。②體相嵌入脫出儲能。溶液中的陽離子通過界面進入到電極活性物質的體相，發生氧化還原反應，從而表現出氧化還原贗電容。該類贗電容的充放電過程可表述為：
MOx+C++e-?MOxC式中，C+代表 H+、Li+、Na+、K+、Ca2+等陽離子。
液體電解質超級電容器
室溫離子液體(或室溫熔鹽、室溫熔融鹽、有機離子液體)，簡稱離子液體。是一種由陰、陽離子構成的物質，在室溫或接近室溫附近的溫度下呈現液態。由于可根據研究者的需求來對陰、陽離子進行設計，制備出具有某種特殊性質的離子液體，所以離子液體又被一些研究者稱為[可設計溶劑]。離子液體是最小活動粒子為離子的一類液態物質，其陰、陽離子的大小差距很大，結構不對稱，造成空間位陽較小，可以自由移動。用作超級電容器電解液中綜合性能較好的離子液體主要包括咪咄鹽、烷基季按鹽、叱咯鹽、烷基呱呢鹽、烷基毗呢鹽等。一般情況下，乙基咪咄鹽的電導率較高，約為10mS·cm-1，其他幾種電解液的電導率略低，在 0.1~5ms·cm-1。由于純離子液體的黏度較大，且電導率較低，不適宜直接作為電解液使用，但是當添加適當的溶劑后，電解液的黏度明顯降低，電導率迅速升高，較為符合超級電容器電解液的應用要求。
固體電解質超級電容器
固態電解質是將電解液和隔膜整合到同一種材料中，在電容器發生破壞時無電解液泄漏，在應用過程中具有很好的安全性和可靠性。固體聚合物電解質具有質量較輕、黏彈性好、穩定性佳等優點，可促進電容器向小型化和超薄型化發展。但是由于固態電解質膜存在機械性差、液體電解質的析出電解質溶解度低和電導率較低等問題，仍達不到實際應用標準。目前的研究大多仍未走出實驗室，距商業化的大規模生產和應用仍有一定距離。
電極材料
電極是超級電容器的核心組成部分，主要是產生雙電層和積累電荷，因此要求電極材料應具有大的比表面積、不與電解液反應、導電性好等性能特點。常見的有碳材料、金屬氧化物和導電聚合物等。
碳材料電極
碳材料是超級電容器最常用的電極材料，也是目前商業化較成功的電極材料。碳材料具有較高的比表面積和良好的電子傳導性，另外含量豐富、成本較低、易于加工、無毒性、穩定性高。目前常用的碳材料主要包括活性炭、碳氣凝膠、碳納米管和石墨烯等。雖然碳材料具有較高的比表面積但基于碳材料的超級器性能并不十分理想，質量比電容只有 40~200F·g-1。影響碳基超級電容器性能的重要因素主要是其比表面積、孔徑分布、孔形狀和結構、表面官能團及電導率，其中比表面積和孔徑分布是最重要的兩個因素。目前，提高碳材料比電容的方法主要有活化改性，在材料表面引入官能團或氧、氮、硫等雜原子等方法。
金屬氧化物電極
一般來說，過渡金屬氧化物具有比傳統碳材料更高的能量密度，比導電高分子更穩定的電化學性能。它不僅可以像碳材料一樣產生雙電層儲存申荷，還能與離子發生反應進而產生贗。應用于電容器金屬氧化物電極材料受到研究者越來越多的關注，隨著石墨烯、碳納米管等材料的逐步發展，將石墨烯、碳納米管引入到過渡金屬氧化物中制備復合材料成為研究的熱點。與單一電極材料相比，復合材料具有更好的電化學性能。
導電聚合物電極
導電聚合物是有本征導電特性的一類高分子材料，具有成本低、電導率高、電化學窗口寬及理論容量高等特點，尤其適用于現在的電池工藝來制備超級電容器。目前研究最多的導電聚合物有 (PANi)、 (PPy)和 (PTh) 及它們的衍生物等。導電聚合物通過氧化還原反應儲存能量，當發生氧化反應時，離子轉移到聚合物的骨架中；當發生還原反應時，離子又從聚合物的骨架中釋放到電解液中。這些氧化還原反應發生在導電聚合物的整個材料里，不僅僅只在材料的表面進行，整個充/放電過程不涉及材料結構的改變，因此反應是高度可逆的。但在離子嵌入和脫嵌的過程中，導電聚合物的體積會膨脹和收縮，導致電化學性能下降，循環穩定性降低，因此限制了導電聚合物作為超級電容器的電極材料。
復合電極
超級電容的復合電極是由炭材料、金屬氧化物和導電聚合物等電極材料制備而成，它能利用各組分間的協同效應，提高整體性能。復合材料中金屬氧化物的種類和形貌、配位化合物的制備方法、石墨烯的結構和分散性等都對電容性能具有較大的影響。
電池型電極
部分贗電容材料表現出的電化學行為與電池材料類似,如CO3O4、NiCO2O4、Ni(OH)2、層狀雙金屬氫氧化物(layered doublehydroxides)和NiCO2S4等，這些材料的CV曲線中存在明顯的氧化還原峰，故被稱為電池型電極材料。在電池型電極材料中,過渡金屬化合物憑借價格低廉、合成簡易、比容量高等優點受到了廣泛關注。
非對稱電極
非對稱超級電容器被定義為由兩種儲能原理不同的電極材料組成的器件，并且一種電極材料為贗電容材料。常見的非對稱超級電容器分別以贗電容材料和碳材料為正、負極，并且通過發生氧化還原反應和形成雙電層來儲存能量。由于儲能原理不同的電極材料具有不同的工作電壓區間，兩種電極材料組合后能夠顯著拓寬非對稱超級電容器的工作電勢窗口，從而獲得較高的能量密度。
性能參數
超級電容的主要性能參數包括容量、工作電壓、能量密度等。其中，電容表示儲能能力，工作電壓表示能夠承受的最高電壓等，以下圖主流超級電容廠單體參數對比表。
參考資料：
主要特點
優點
超級電容器已形成系列產品，實現電容量0.5~1000F，工作電壓12~400V，最大放電電流400~2000A。與電池相比，超級電容器具有如下性能特點：
(1)具有法拉級的超大電容量；
(2)比脈沖功率比蓄電池高近10倍；
(3)充放電循環壽命在100000次以上；
(4)能在-40℃~70℃的環境溫度中正常使用；
(5)有超強的荷電保持能力，漏電源非常小(6)充電迅速，使用便捷；
(7)無污染，真正免維護。
正是由于其獨特的優勢或特點，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。
此外，超級電容器的功率特性優于電池，能在大電流下快速地充放電。然而同樣情況下，電池卻比超級電容具有更高的能量密度，并且在同體積下可以存儲更多能量。同時，由于超級電容器的反應過程是物理過程, 所以它的壽命更長，一般充放電次數可達10 萬次以上，而電池充放電次數相比之下卻要少得多，鉛蓄電池充放電次數約為500次，鋰電池充放電次數約為1000~1500次，如下表所示。
參考資料：
缺點
超級電容器自放電較快，Smith.P.H等人在《電容器：電化學性能和熱行為》一書中介紹了商用超級電容器(2000F)、離子電容器(2200F)、鋰離子電池(2.4Ah)三者在充電態下的自放電行為，在72h的開路貯存時間內，超級電容器的能量損失高達22%，遠遠高于鋰離子電池僅僅3%的能量損失。可見，自放電是超級電容器在實際應用中一個不可忽視的問題，甚至嚴重的自放電行為會導致無效充電的現象出現。
超級電容器安裝位置不合理，容易引起電解質泄漏等問題，破壞了電容器的結構性能。超級電容器僅限于直流電路的使用，這是由于與鋁電解電容器相比，超級電容器的內阻更大，不適合交流電路的運行要求，此外，由于超級電容器是新一代高科技產品，其剛剛推向市場時價格相對較高，增加了設備運行的成本投入。
相關標準
2022年5月，中國科學院山西煤炭化學研究所主持制定的國際標準IEC/TS 62565-5-1 Nanomanufacturing – Material Specifications – Part 5-2: Nano-enabled electrodes of electrochemical capacitor – Blank detail specification (超級電容器電極片-空白詳細規范)由國際電工委員會納米電工產品與系統技術委員會（IEC/TC 113）對外正式發布，參與制定單位還包括寧波中車新能源科技有限公司、深圳市標準技術研究院和國家納米科學中心。該標準是超級電容器用電極片的首個國際空白詳細規范，詳細梳理了電極片影響器件性能的化學、物理、結構和電化學關鍵控制特性及其相應測試方法。
應用領域
新能源汽車
新能源汽車純電模式下以超級電容器電源電機為主，電機在汽車行駛時驅動車輛，在制動時則轉化為發動機回收能量。該模式的汽車就是僅通過電力來進行驅動的，因此這種電動車的原理相對簡單且能夠實現0排放。但是由于這種車型需要依賴充電樁進行充電，且完成充電需要花費較長的時間，它的續航能力較差，充滿電可以行駛的距離比較短，適用于在城市中作為代步工具。
儲能
2020年9月，由中國中車集團旗下中車南京浦鎮車輛有限公司有限公司自主研發制造的光電磁數字化導向的膠輪低地板列車正式亮相，這是世界首列由光電磁數字化導向的膠輪低地板列車。這列數字軌道膠輪電車采用大容量鋰離子超級電容儲能供電，整列車配置大容量鋰離子超級電容，續航能力高，充電速度快。線路沿線無需設置供電系統，供電成本大幅降低。列車還采用小軸重設計，車輛各系統設備采用輕量化設計，滿足路面道路車輛的軸重標準，無需對既有公路路面進行改造。
電網調頻
超級電容混合儲能系統將電能快速、安全、大容量存儲，以滿足電網調頻需求，可對電力供應波動迅速作出反應，維持電網發、用兩側平衡。在中國的華能羅源電廠，超級電容混合儲能調頻系統在10多個大型“白色盒子”中運行，如同一個個充電寶。據介紹，超級電容混合儲能調頻系統示范項目為5兆瓦超級電容+15兆瓦鋰電池混合儲能調頻系統，由8堆高效率超級電容和24堆高功率鋰電池組成，與華能羅源電廠現有兩臺66萬千瓦高效超超臨界燃煤發電機組共同參與電網調頻。
綠色照明
2018年5月，中國超級電容產業聯盟和中國照明學會在長沙市簽訂《戰略合作協議》作為超級電容器在照明行業的示范項目，長沙至株洲市的洞株公路路燈項目由湖南耐普恩科技有限公司實施。該道路全長12.3公里，設計使用714盞12米路燈實現雙向六車道的照明，項目在使用太陽能無電力開支的前提下，完全實現了市電路燈的使用效果。公路全年累計節約超過37萬度電，根據合同約定，耐普恩科技提供十年質保，這意味著期間將累計節約超過370萬度電。
發展趨勢
智能電子器件的快速發展和廣泛應用，促使人們更加關注智能化、 可控的多功能電化學儲能器件。與此同時，研究人員發現，柔性透明超級電容器非常柔軟，可以承受任何變形。 因此，它為全透明電子產品概念的誕生提供了可能性。 未來，集電致變色、 形狀記憶、 甚至自我修復功能于一體的超級電容器將奪人眼球。
隨著便攜式電子技術和可穿戴電子技術的概念的迅速發展, 柔性儲能設備已成為熱門。研制具有高電化學性能的柔性、 小型儲能裝置具有重要的意義。 由于傳統超級電容器的電極不彎曲，在很大程度上限制了器件的形狀，極大降低了其電化學性能， 可見，下一代柔性存儲設備發展的主要方向是與便攜式電子設備相兼容的柔性超級電容器。不同于傳統非柔性超級電容，柔性超級電容的正負電極、 電解質、 隔膜、 集液器，以及封裝外殼均為柔性，這使得柔性超級電容的組裝無論在形狀和尺寸上都是薄、 輕的智能設計, 從而增加了其在柔性、 可穿戴領域的應用潛力。
提高電容器的容量和循環特性、降低成本一直是業界關注的問題。就提高性能而言，超級電容器的電極、電解質的改進是重點。目前超級電容器電極材料的研究重點在于：①組合利用現有的電極材料，例如結合電雙層電容和法拉第未來準電容的儲能機理，從而提高電容；②開發新型電極材料。實際上，新型電極材料的開發從來沒有停止過，從活性炭、碳纖維、金屬氧化物、碳納米管、石墨烯到復合電極材料等等，不斷有新材料問世。電解質的研究重點在于開發電勢窗寬、耐高低溫、離子導電性好的材料。從降低成本的角度看，人們也一直在努力。
超級電容器在電能存儲方面與電池相比還有一定的差距，因此怎樣提高單位體積內的能量(即能量密度)是目前超級電容器領域的研究重點與難點。應該說，制造工藝與技術的改進是提高超級電容器存儲能力的一個行之有效的方法，但是從長遠來看，尋找新的電極活性材料才是根本之所在，同時也是難點之所在。
參考資料 >
掌握超級電容發展主動權.今日頭條.2023-11-23
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