超級(jí)電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。
 
它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺��?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(xì)節(jié)依賴于對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用和使用。
由于制造商或特定的應(yīng)用需求，這些材料可能略有不同。
所有超級(jí)電容器的共性是，他們都包含一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來的兩個(gè)的孔隙。

 
超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示，是由高比表面積的多孔化電極材料、多孔性電池隔膜及電解液組成。
隔膜應(yīng)滿足具有盡可能高的離子電導(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)的條件，一般為纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料，如聚丙烯膜。電解液的類型根據(jù)電極材料的性質(zhì)進(jìn)行選擇。
 
根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同可以分為以下兩類：
1、雙電層電容：
是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對(duì)峙而產(chǎn)生的。
對(duì)一個(gè)電極/溶液體系，會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。

當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場(chǎng)后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。

這時(shí)對(duì)某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。
 
2、法拉第準(zhǔn)電容：
其理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。

對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。

當(dāng)電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場(chǎng)的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時(shí)，會(huì)通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲(chǔ)在電極中。

放電時(shí)，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。
 
超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)：

1、很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量；
2、無須特別的充電電路和控制放電電路；
3、和電池相比過充、過放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；
4、從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；
5、超級(jí)電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題；

 
超級(jí)電容的缺點(diǎn)：
1、如果使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；
2、和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路；

超級(jí)電容器之所以稱之為“超級(jí)”的原因：
1、超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。

2、超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。

3、傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng)，有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。

4、超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)構(gòu)允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級(jí)電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 Å）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。

5、龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級(jí)”所在。

 
控制超級(jí)電容器的放電：
超級(jí)電容器的電阻阻礙其快速放電，超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)τ在1~ 2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5~10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實(shí)際上得花上數(shù)個(gè)小時(shí)才能將殘留的電荷完全放干凈）。

放電的控制時(shí)間：
超級(jí)電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實(shí)際上決定于電容器單體大小，對(duì)于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。

PS：

國(guó)內(nèi)外超級(jí)電容主流廠商以及發(fā)展方向

國(guó)外：上世紀(jì)60年代開始研究，70年代有產(chǎn)品推出。主流廠商有：美國(guó)的Powerstor、Maxwell；日本的Taiyo、NEC、Panasonic、Nichicon；韓國(guó)的NESSCAP等。

國(guó)內(nèi)：上世紀(jì)90年代末開始起步，目前國(guó)內(nèi)的主流廠商有上海奧威、北京集星、錦州凱美等公司。

與鋰電池相比，超級(jí)電容目前主要的瓶頸在于：能量密度、耐壓性能、ESR、尺寸、成本。

目前的發(fā)展方向?yàn)橹苽漭^高比表面積和較小內(nèi)阻的多孔碳材料和對(duì)碳基材料進(jìn)行改良。

由于金屬氧化物在電極/溶液界面反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第準(zhǔn)電容要遠(yuǎn)大于碳材料的雙電層電容，現(xiàn)在已經(jīng)引起了不少研究者的興趣，他們正在這方面投入更多的精力。此外對(duì)于新型導(dǎo)電聚合物材料的應(yīng)用也有了更深的研究，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

超級(jí)電容的應(yīng)用場(chǎng)景

1、超級(jí)電容對(duì)環(huán)境的要求低于電池，所以在經(jīng)常掉電的場(chǎng)合，它顯示出了很大的優(yōu)勢(shì)。比如手機(jī)、相機(jī)等。
2、要求瞬時(shí)功率輸出較大的場(chǎng)合，如汽車馬達(dá)啟動(dòng)的瞬間，采用ESR低的超級(jí)電容，可以幫助馬達(dá)的快速啟動(dòng)。
3、超級(jí)電容器的脈沖功率性能、產(chǎn)品壽命、能夠在極端的溫度環(huán)境中可靠操作的特點(diǎn)，完全適合于那些需要在幾分之一秒至幾分鐘時(shí)間的重復(fù)電能脈沖的應(yīng)用產(chǎn)品。例如在電動(dòng)汽車（EV/HEV）、軍工、輕軌、航空、電動(dòng)自行車、后備電源、發(fā)電（風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電）、通訊、消費(fèi)和娛樂電子、信號(hào)監(jiān)控等領(lǐng)域的電源應(yīng)用方面具有廣闊的市場(chǎng)前景。

超級(jí)電容器，作為新型能源領(lǐng)域的重要組成部分，自面市以來，以其優(yōu)異電化學(xué)特性和環(huán)保性能，已成為新能源領(lǐng)域的發(fā)展亮點(diǎn)，全球需求量快速增加，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、交通運(yùn)輸、儲(chǔ)能、工業(yè)控制、風(fēng)光發(fā)電、供配電、智能四表、電動(dòng)工具、輔助峰值功率、備用電源、替代電源等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。