1 關于超級電容

電容器作為儲存電能的重要元件，普遍存在于各類電子設備中。為了提升電容量，科學家們不斷探索新的技術手段。盡管更換電介質或制作成薄片都未能顯著提高電容值，但超級電容的問世徹底改變了這一狀況。我館便藏有幾枚備受贊譽的超級電容。與傳統電容相比，超級電容的優勢在于能夠在相對較小的體積內存儲數萬倍的能量。以本館展示的四枚火炬電子制造的產品為例，電容值最低為0.06F，最高則達到1.5F，遠勝過傳統電容的最大值，后者僅在uF（F的百萬分之一）級別。

2 揭秘超級電容的“超級”之處

簡單來說，傳統電容內部電荷僅分布在表面，而無法深入內部空間；而超級電容則采用特殊設計，內部平行金屬板上覆蓋多孔碳材料，使得電荷得以分布在這些材料的表面。據測算，每克此類多孔碳材料的表面積可超2000平方米。因此，超級電容實現了電荷儲存方式從二維向三維的跨越，這便是其“超級”之處。

實際上，超級電容的起源可追溯至140多年前。1879年，德國物理學家亥姆霍茲發現了電化學界面的雙電層電容特性，提出了高法拉電容的概念。1957年，貝克取得了首個高比表面積活性炭電極材料的電化學電容器專利，堪稱超級電容的早期形態。然而，由于缺乏實際應用場景，該技術并未得到廣泛關注。直至1979年，日本NEC公司開始規模化生產超級電容，這一技術才逐步進入人們的視野。

3. “超級”應用：超級電容如何超越傳統電池

超級電容以其優異的性能超越諸多傳統電池的應用場景。

① 替代動力電池

眾所周知，目前主流電動車大多采用鋰離子電池，但充電通常需要半個小時至一個小時才能達到70%-80%的電量。然而，超級電容憑借其出色的快速充電能力，只需短短數秒至幾分鐘便可充滿。

例如，2020年上海市種子中心城區的五條主要線路上新增了89輛搭載上海奧威科技開發有限公司生產的超級電容的新型公交車。這些公交車能夠一次性儲存40度電，能量密度高達100W/kg。得益于此，公交車在短暫停靠期間即可完成充電，并繼續行駛至下一站點。充電三分鐘即可行駛十公里，滿電狀態下續航里程可達30公里。此外，2022年9月，全球首艘純超級電容動力輪渡“新生態”號成功抵達上海，預計將于10月底投入運營于長興、橫沙島之間的航線上。同樣受益于超級電容，該型輪渡實現了充電15分鐘，航行一小時的卓越表現。

② 替代儲能電池

與鋰電池相比，超級電容的循環充電壽命長達50萬至100萬次，使用壽命可達10年以上。這意味著即使經過漫長歲月，超級電容依然保持著良好的性能。

普通電容器的電容單位通常為皮法（pF，1pF=F）或微法（μF，1pF=F），而超級電容的電容量極為龐大。例如，一個電容為5F的超級電容，加上兩個7號電池的電壓（3V），其儲存的電荷量（15C）堪比一道閃電。

因此，超級電容器在太陽能、風能等清潔能源領域的儲能應用具有重要意義。盡管太陽能和風能是無污染且可持續的可再生能源，但由于陰影遮擋、多云天氣以及風力風速變化等因素導致其輸出不穩定，無法直接接入電網。此時，將電能儲存在超級電容器中無疑是最佳選擇。這樣既有助于推動可持續發展，又因其采用碳材料而非蓄電池，避免了重金屬污染等問題，同時還具備超長使用壽命，降低了材料消耗，堪稱綠色環保的典范。