前不久，CCS微信公众号刊发了一篇《世界首艘超级电容动力车客渡船“新生态”号来啦！》的消息，一经发出，获得了不俗的关注度。今天我们就为大家科普一下什么是超级电容器？
把水注入一定体积的矿泉水瓶（图1）之中，并将它密闭封盖，它就成了一个水容器。那么，我们把一定量的电能储藏到一定体积的容器中，就形成了电容器。电容器，顾名思义，就是作为电能的储藏容器（图2）。
图1：矿泉水瓶
我们生活中用到电容器的地方很多，除了少数几种电器以外，其他稍微复杂点的电器都有电容器，比如电视机、手机、电脑等，甚至会使用数百只电容器。
图2：各种电容器
超级电容器，就是“容量很大的电容器”，又叫电化学电容器、黄金电容、法拉电容。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的。
超级电容器融合了普通电容器的物理特性，很多优势是传统电容、电池无法比拟的。它具有比普通电容要大得多的超大比电容，可以瞬间释放的功率比普通电池高近十倍，而且不会损坏。充放电循环寿命在十万次以上，而传统电池一般只能充放千百次左右就达到报废标准，这也是超级电容最大的优点之一。
图3：超级电容储能和电池储能对比
如图3所示，超级电容就好比左边杯子，肚子虽小但是口大，倒水的速度快，而电池就好比右边的水桶，肚子大口小，水流速度慢。
因此，在有些场合，需要储能器件在短时间内提供大量的能量，右边的水桶显然就不能满足要求，我们就需要选择左边的杯子。而有些场合需要长时间慢慢的释放能量，我们就不能选择口大身子小的杯子了。
为什么超级电容会有如此快速释放能量的能力呢？接下来我们来说说超级电容器的成分构成和工作原理。
在超级电容的材料里面，有一种非常重要的材料——活性炭。大家都听过活性炭吧，当我们搬入新家时，通常会在室内放置一些活性炭包来去除空气中的甲醛等有害物质。活性炭能够吸收空气中的有害气体，是大家对活性炭最直观的印象。
图4：除味用活性炭包
为什么活性炭能够去除空气中的有害气体？什么样的活性炭效果最好？
活性炭是植物高温炭化后的一种黑色物质，其内部具有许许多多肉眼看不见的微孔，这些微孔能够充分吸收空气中的有害物质，从而起到净化环境的效果。采用一些具有发达孔结构的原材料如椰壳、柚子皮等得到的活性炭，微孔结构更加丰富，使用起来效果更佳。
图5：椰壳和活性炭
你们一定都见过海绵吧，海绵的里面全部都是各种各样的小孔，因此可以吸收很多水分，活性炭的内部结构就和海绵类似，比表面积很大，吸附性很强，因此作用很多，可以吸附有害气体，还可以吸附水中的各类悬浮杂质，一些可溶性物质等，在净水器中起到净化水的作用。
图6：海绵和显微镜下的活性炭
我们观察显微镜下的活性炭，可以看到里面有大大小小的各种孔洞，形状各异，不要小看这些孔洞，如果把一克活性炭摊开来，里面孔洞的所有表面积超过1500平方米，相当于一个足球场的面积。这些表面积相对于分子或原子来说是很大的，足够吸附住污染物的分子。
活性炭的这种良好吸收效果，促使了一种新型储能器件——超级电容器的诞生。超级电容器利用活性炭吸附电荷进行储能，电解液中的阴阳离子被大量的孔洞吸附，可以实现传统电容器数千倍以上的容量。
图7：超级电容器中活性炭吸附储能
作为以电荷吸附来进行能量存储的超级电容器，具有绿色环保、充放电速度快、使用寿命长等一系列的优点。这些优点促使了超级电容器广泛的应用在混合动力汽车、纯电动公交等领域，利用汽车刹车制动的能量回收来启动车辆，节油环保效果显著。
所以在需要大功率的应用场合里，超级电容变得非常适合。它具有非常高的功率密度，为电池的10—100 倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快、模式简单，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。
大家知道，科学家们为了有效地替代化石燃料，需要能够存储大量能量并即时输出以与需求保持同步的能量存储系统，因此研究人员正在寻找各种技术手段替代传统能源，达到节能减排的效果。
目前在科研工作者的努力下，超级电容器已经广泛应用于我们生活中的各个方面。上海有好多公交车上没有使用一滴汽油，用的就是超级电容器，司机在公交车靠站的时候，短短数分钟的时间就可以完成补电。超级电容器还可以用在城市有轨电车、景区观光车、船舶等等各种场合，为城市的绿色能源提供一种重要的选择。
随着技术的不断发展，超级电容器会发挥越来越大的作用。现代船舶功率较大，传统的化石燃料使得船舶的污染非常严重；柴油机船舶在行驶过程中造成的大气污染及水污染十分惊人。
利用超级电容器将船舶运行中的能量回收，作为船舶驶离/靠近码头的动力源驱动船舶短距离运行，可以有效降低船舶柴油机组的污染气体排放，保持码头和航道的环境整洁，环保节油效果良好。
图8：使用超级电容器的有轨电车和公交车
供稿人：上海分社 倪智勇
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