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發布的 7th Jul 2020 @ 3:43 PM

什麼叫超級電容及特性?

超級電容器(Supercapacitor, Ultracapacitor)又稱為雙電層電容器 (Electrical Double-Layer Capacitor 簡稱EDLC)，電化學電容器 (Electrochemcial Capacitor, 簡稱EC). 黃金電容，法拉電容等多種叫法。

超級電容器是一種電化學原理的電元件，它的理論基礎是德國物理學家亥姆霍茲提出雙電層理論. 在意義上, 超級電容器是一種全新型的電容器, 包括物理和化學的元素. 當電解溶液中插入金屬電極時, 它的表面會產生相反的過剩電荷。如果繼續施加一個小於電解質的電壓，那麼電解液中的正負離子都會往兩極迅速移動，這樣會在電極表面形成一層緊密的電荷層，這就是雙電層。

雖然稱為電化學元件，但實際上它在工作和儲能過程中是沒有發生化學反應的。由於超級電容器不像傳統電池在使用時單方面的放能，相反它不僅能放能，儲能的過程也是可逆的。 也正因為此超級電容器可以反覆充放電數十萬次 (10E6或以上).

超級電容不僅有大電流快速充放電特性，同時也有電池的儲能特性，並且重複使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子(而不依靠化學反應)釋放電流，從而為設備提供電源。

超級電容充放電過程不會產生化學反應, 從而產生超級電容的特性與優點:

1. 體積小, 容量大

-          由於結構多孔化電極等特點, 導致吸附電解液電荷增多. 因此容量可以達到很大.

1. 充放電能力強

-          當兩端電極施加電壓, 離子被吸引致雙層電氣表面並充電. 充電速度極快, 只要充電幾十秒到幾分鐘就達到其額定容量的95%以上.傳統的化學電池充電過程由於有化學反應, 一旦充電過快,就會產生其他的化學反應物質, 進而影響電池使用壽命.

-          大電流放電能力超強, 能量轉換效率高, 過程損失小. 它的放電過程, 只是電子從電容的一邊跑到了另一邊, 既然沒有化學反應, 大電流放電就基本不會影響使用壽命.

1. 超長壽命, 反覆充放電數十萬次 (10E6或以上).
2. 耐低溫

-          超級電容耐溫性很好, 最低達到-40C, 工作適應範圍一般-40C〜+70C之間

1. 失效開路, 過電壓不擊穿, 安全可靠

超級電容與電池的能量及差別 

超級電容器的能量密度可達到10KWh/KG. 如果按照這樣的能量密度, 再加上機械轉化效率, 每KG相當於1公升汽油. 對比化學電池0.05〜0.18KWh/Kg的能量密度,超級電容優勢遠勝於電池.

電池的原理是電子的移動. 鋰電池是由負極的氫來提供電子, 正極由鈷酸鋰或磷酸鐵鋰等材料得到電子, 從而形成電流. 大量的材料比如儲氫材料, 電解液, 還有正極的材料, 都是為了讓氫的電子動起來. 所以, 傳統電池大部分的重量都做了輔助工作, 真正有作用的就是氫電子. 超級電容的原理就是兩塊材料, 給它一個電壓, 讓電子跑到一邊去, 放電的時候電子多的那一塊材料上的電子就會跑到少的那一塊上, 形成電流. 所以理論上超級電容所有的重量都能參與電子的流動, 它的能量密度就會比化學電池大得多.

1. 超低串聯等效電阻 (LOW ESR), 功率密度 (Power Density)是鋰離子電池的數十倍以上, 適合大電流放電.
2. 超級電容充放電大於50萬次, 是Li-lon電池的500倍, 是NiMH和 Ni-Cd電池的1000倍, 每天充放20次, 可連續使用68年
3. 充放時間短, 對充電電路要求簡單, 無記憶效應.
4. 溫度工作範圍一般-40C〜+70C之間, 一般電池是-20C〜60C, 當溫度在0C〜-20C開始遞減, 輸出能量相應減少, 最高可達20%以上衰減能量.

所以超級電容器不但有電容的特性, 還有電池的特性. 說它「充放一體」電池是很形象的.

超級電容主要材料及環保 

超級電容屬於雙層電容器, 它是世界上已投入量產的雙層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙層電容器一樣，都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。

在比能量和比功率兩個性能參數上超級電容器位於電池和傳統電容之間，循環壽命和充放電效率遠遠高於電池。 由於使用壽命長，通常都超過了使用其設備的壽命，所以超級電容器終身無需維護，加之使用完後，對環境要求寬鬆，無污染，因而又稱其為綠色能源。相比化學電池對環境有2次污染。可減少石油消耗，有效地減少鋰電池和鉛酸電池污染問題。 而且相對成本低，雖然超級電容器的價格比電池高， 但由於超級電容器的壽命比化學電池高100倍，所以超級電容器的綜合運營成本大大低於化學電池。

超級電容應用 

在汽車領域當中可以作為汽車的啓動電源, 在峰值功率輸時提供電源, 比傳統蓄電池電源性能好. 在UPS不間斷電源當中, 用超級電容器可以提供瞬時功率輸出, 作為備用電源, 作為镭射器脈衝能源以及其他設備儲能能源. 亦可在便携式設備中輔助電池延長電池壽命等.

超級電容缺點和使用 

目前超級電容的耐壓均不高, 實際使用中過壓保護電路絕不可少. 如果電壓超過單元額定電壓, 將會縮短單元使用壽命. 對於高可靠性超級電容器來說, 要維持電壓在要求範圍內是關鍵的一環, 必須在控制電路扳上控制充電電壓, 以保證它不能超過每個單元額定電壓.

產品設計經常將二個到多個超級電容串接或並接使用. 因為隨著電容自放電, 而電容單元的誤差值又不盡相同, 在後期多次的充放電後容易造成局部單元損壞.解決的方法是主動單元平衡法(activecell-balancing), 使用這種方法, 每一個單元都會被主動的監視, 當有電壓變化時, 即進行互相平衡. 這種方法可以降低單元上的任可額外負載, 使工作效率大大提高及避免損壞.

超級電容未來發展 

超級電容比起傳統電池有著不可比擬的優勢, 但超級電容仍有許多缺點. 所以不能大規模使用, 可要解決這些缺點需要的時間並不長, 也許再過一兩年這項技術就能解決, 擁有著廣闊的應用前景.

我們可想像一下, 一旦這項技術成熟, 可以大規模運用, 會發生什麼. 如果出現一輛電動車, 他一次充電20分鐘以內, 充電之後可以跑上500公里以上, 電池能用幾十年, 手機充電5分鐘, 足夠正常使用一整天.這麼一種電動車和手機出現了, 汽油,傳統電池原材料生產商會有多少銷量.社會經濟可能又牽起不同程度的衝擊.（以汽油、傳統電池為動力來源的設備、產品將會陸續更換動力來源，一場新材料應用的工業變革, 隨之悄然而來.）