电池在大家日常无处不在，但电容器、超级电容器对不少读者而言则可能稍显陌生。其实无论电池还是电容器，都在生产日常有着广泛而要紧的应用，二者也是化学储存电能和物理储存电能的典型代表；尤其是超级电容器，综合了电容器与电池的特征，原理上兼收并蓄，成为一类性质独特、应用广泛的电化学器件。伴随化学、物理与材料科学的进步，化学储电与物理储电的界限日渐模糊，电池、电容器、超级电容器正在互相取其精华，以期更好地满足人类需要，为社会进步服务。

撰文 | 李存璞（重庆大学习化学化工学院教授）

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理解电能的储存

电能的进步与应用是人类迈向现代化的重点，使得人类对于能量的借助达到了新的高度。电灯、电报、电子计算机、移动通讯装置，现代人类对于电能的需要和应用日新月异。在发电厂，电能通过热能、机械能、太阳能、风能等能源产生，通过电网输送至用电单位，其无需依靠特别的工作物质（工质）就能传输、运用，这一特质是其这样广泛应用的重点，但也是其储存的障碍。

除电能的生产与输送以外，其高效储存与释放是目前学术界与产业界的要紧关注点。进步储存电能的目的不少，但归根结底只有两个目的：一是在上游生产端调控并网，二是在下游用端离网应用。对于电能的上游生产端而言，风能、太阳能等只能间歇提供产生电能，这与电网供电的稳定需要之间存在天然矛盾，需要对电能进行储存、释放以达成供需平衡。对于下游用端而言，尽管目前已经可以将电能输送至千家万户，但一方面用电的峰谷不均衡与稳定的电能供给同样存在天然矛盾；其次如电动汽车、户外用电、移动通讯设施等脱离电网的电能需要，都需要对电能进行储存与释放。

但遗憾的是，电能的传输与用无需工质，这使得大家非常难找到适合的物体或者装置，将电能直接储存。超导可能是问题的最后解决方法，直接将电能的要紧载体——电子——无妨碍地储存在超导器件当中。但受制于超导器件需要低温环境，降温过程所消耗的电能远大于超导器件所储存的能量。因此，在常温超导真的得到用之前，最为经济的选择是进步储能装置。

当大家考虑电能储存装置时，最本质的需要是到底可以储存/释放多少能量。以基础的直流电为例，在初中物理中大家就已经学会了计算电能的量的基本公式：

其中ΔU是储存/释放/传递的电能的量（单位焦耳），ΔV是电能正负极之间的电势差或者电压（单位伏特），Q为储存/释放/传递的电量（单位库伦）。当电能的传输为恒电压和恒电流状况时，Q等于电流（单位安培）乘以时间t。当然本文并不是要讨论初中物理电学部分的内容，但从上述公式（1）可以帮助大家理解当想要储存电能的时候，大家需要如何做：提高电压ΔV，增加储存的电量Q。

02

化学电源电池与物理电源电容器

现在两种主流的储存电能的方法，分别是电池和电容器（与超级电容器），二者也分别是化学储存电能与物理储存电能的代表性器件。

图1 电池、电容器的结构与原理示意图。图示为器件放电状况。

2.1 化学电源——电池

电池是现在最为广泛应用的电能储存、转换装置。其原理是将设计选择自发（ΔG0）且包括电子转移的化学反应，将氧化与还原的半反应物理隔离，引导电子通过外电路迁移进行电能释放，同时内电路离子迁移完成反应回路。上述过程直接将自由能转化为电能：

其中ΔG为反应的吉布斯自由能（也是可以储存的电能的量ΔU的相反数；单位是千焦/摩尔），n为化学反应的电子转移数，F为法拉第常数，ΔV为反应的电势差（电压）。相较于化学物质燃烧产生热能—热能推进活塞做功转化为机械能—机械能转化为电能的发电过程，储能电池避免了热能到化学能效率受制于卡诺循环的理论效率上限，也没机械能—电能转换的生热效率损耗，因此具备最高的化学能—电能理论转换效率。

如图1左图所示，以目前广泛用的锂离子电池为例，电池在放电状况下，外电路中电子从负极出发，经过用电器到达正极；正极材料获得电子发生还原反应，同时锂离子嵌入至正极材料当中，保证正极材料不带电。负极材料则失去电子，发生氧化反应，同时锂离子离开负极，进入电解质溶液当中。因为正负极的得失电子，随着着带正电的锂离子的得到与失去，电池在工作状况下正负极均不携带电荷，所释放的电能的电压源自正负极材料的化学势的差异。在锂离子电池中，锂离子因为并不直接得失电子，而是通过锂离子的嵌入/脱出完成充放电过程，在电池工作下固态的正负极材料结构稳定，电解液锂离子浓度维持稳定，这使得电池工作电压平稳，是锂离子电池可以获得商业化成功的重点。

2.2 物理电源——电容器

相较于借助化学反应来储存电能的化学电源——电池，电容器的原理则愈加直接。让大家第三回到中学习物理课堂中平板电容器的那节课，如图1中图所示，电容器在工作中并没化学反应发生，充电后的电容器负极材料表面携带过量的电子，这类电子对应数目的正电荷储存在正极材料表面。当电容器放电时，负极过量的电子通过用电器到达正极，中和掉正极携带的正电荷，同时负极材料回归电中性。对于平板电容器而言，其储存的电荷、能量可以用公式（3）与公式（4）处置：

其中Q为电容器储存的电荷量，ΔV为电容器的电压，C为电容器的电容大小。可以发现，电容器的电容大小C与电容器的材料与结构有关，其中的材料方面的重点物理量是介电常数ε：

公式（5）中，S为平板电容器的电极面积，d为平板之间的距离，ε为电容器电极之间电介质的介电常数。电介质是一类不导电的物质，本身拥有肯定的极性，当被外加电场时会遭到电场线有哪些用途定向排列，形成与外加电场方向相反的反电场。电介质形成的反电场越强，则电容器正负极板需要富集更多的电荷才能与之抵消，从而提高了电容器储存电荷的能力——即提高了电容器的储电能力。

2.3 电池 vs. 电容器

当大家对比电池与电容器的储电原理，就能发现由二者原理决定的各自特征：电池储电量大，放电平台稳，放置时间长，但充/放电速度慢；电容器储电量小，放电平台不稳，放置时间短，但充/放电速度快。

为了理解电池与电容器的差异，大家可以关注当它们充电时，到底为了达成何种目的。如图2左图所示，电池充电时，充电器负极所连接的为电池负极，因为充电器负极的还原性（给出电子的能力）较电池负极材料强，本着“菜就挨打”的原则，电池负极材料将获得电子发生还原反应；同时，为了保证材料电中性，带正电的阳离子将进入负极材料，形成电池负极的充电产物。电池正极在充电时与负极反应类似。因为电池是借助电极中很多材料的氧化还原反应进行电能储存，因此其电荷储存量非常大，如锂离子电池能达到300Wh/kg的能量密度（单位重量的储存的电能，即每公斤电池储存0.3度电）。相应地，因为依靠电极材料的氧化还原反应，因此电池的正负极材料总是是氧化物、碳材料、氮化物等非出色导体，加之化学反应进行速度、离子在电极材料中的迁移速度较慢，因此电池的充放电速度与电容器相比较慢。在电池充满断开充电器之后，因为电池正负极均为电中性，因此电池内部没电场存在，可以长期储存。

图2 电池、电容器的充电目的与过程示意图

而对于电容器而言，如图2右图所示，电容器的正负极都是导体，因此当电容器与充电器相连时，电容器的负极会获得电子，目的是与充电器的负极形成等势体（导体的固有属性）；同理，电容器的正极的电子会被移走，直至与充电器正极电势相等。在这一过程中，电子事实上是从电容器的正极通过充电器转移到负极，最后目的是电容器正负极分别与充电器的正负极形成等势体——5V的充电器自然会将电容器充电至5V。但到底正负极之间转移了多少电荷（或者负极累积了多少电子），则与电容器内部的电介质有关。以5V的充电器充电为例，伴随正负极电荷的积累，电容器内部产生电场，电场强度E乘以正负极之间的距离d，为电容器的电势差ΔV。

充电的目的十分明确，就是正负极之间电势差达到5V。但因为电介质的极性会产生反电场，会削弱电容器内部电场E，因此，需要正负极板积累更多的电荷，提高电场E，以达成ΔV=5V的目的——电解质产生反电场的能力越强，电容器可以储存的电荷越多，即能量越多。

依据导体等势体的特质，电容器的正负极板仅能在电极表面储存电荷，自然储存的能量极少（一般小于10 Wh/kg）。但从充放电速度角度而言，电子在导体中的传输速度极快，因此基于物理原理储存电能的电容器具备更好的充放电速度，充放电功率远大于电池。（虽然电容器容量低，但充满电所用时间为毫秒级，而电池超级快充也需要20~30分钟级，即电容的充电速度是电池的100万倍。）除此之外，因为充满电之后电容器极板携带电荷，而内部存在电场，即电容器充满后处于“不稳定”的状况，因此在放置过程中，电容器会以较快的速度自放电（跑电），不可以如电池一样长期保存备用。

03

超级电容器

如前面所言，电池借助化学反应储存能量，存得多但慢；电容器借助物理原理储存电荷，存得快但少，那可否综合二者的特征，进步又快又好的电能储存装置呢？

超级电容器可能是一个很好的切入点。从名字来看，超级电容器好像只是电容器的pro max版本，但事实上，超级电容器的“超级”并非简单的电容器升级版，而是一类综合借助了电池和电容器原理的装置。对于电容器而言，其物理储电的原理可以达成装置的迅速充放电，即满足实践角度的高功率需要。回顾前面的公式（5），因为电容器的结构限制，从结构角度的提高主要通过缩减正负极之间的距离d来达成，但距离太小容易发生短路，导致电容失效；而从材料角度的容量提高主要通过增加电介质的介电常数来达成，但因为电介质的分子特质，本身可以提供的反电场十分有限，限制了电容器的容量跨越式提高。

超级电容器（以下简称“超电”）的特征就是用类似电池的含有阴阳离子的电解质代替传统电容器中的电介质，一蹴而就地达成d的大大减小（从1mm到1nm，缩小10-6倍；试想你的贷款变成目前的100万分之一，就是这么超级）、电极面积S的大幅度增加（试想你的薪资增加100万倍，就是这么超级）。如图3所示，在超级电容器充满电时，负极会携带负电荷，正极会携带正电荷，但与电容器不一样的是，因为超电的内部不再是只能定向旋转、极化产生反电场的电介质分子，而是具备阴阳离子的电解质，因此电解质中的阳离子会聚集于负极一侧，与负极板形成“双电层”；与之类似的，阴离子会迁移至正极一侧，与正极板形成“双电层”[1-2]。

图3 左图为超级电容器结构示意图，图示为器件放电状况。右图为一类增加电极比表面积的办法[3]

对于每个双电层，都可以视作是迁移的离子与电极之间形成的“电容”，因为离子与电极距离很接近（nm尺度），因此公式（5）中的d大大降低；同时通过架构多孔、核壳等电极材料结构，可以大大增加电极材料的比表面积，达成S的跨越式提高。因此，在S增加与d减小的状况下，超级电容器的C自然可以达成跨越式变大。

图4 超级电容器的双电层原理与三种容易见到赝电容种类[4]

除去使用电解质替换电介质，来借助双电层达成“超级”的成效以外，“赝电容”方案也是超级电容器达成容量进一步提高的要紧办法。

“赝”，顾名思义，就是假的，并不是真的借助电荷积累—双单层这种原理储存电荷，但又具备类似电容的特质。“赝电容”包含三种容易见到的原理，如低电势趁机方案，马上一些离子在较低的电位下吸附到电极表面还原，提供额外的电荷累积；最为广泛使用的是借助电极界面的氧化还原反应来额外储存电能，而不只依赖物理上的电荷积累。如二氧化钌和二氧化锰等电极材料，钌与锰元素可以通过得失电子来达成化合价的变化，进而让材料表面携带额外的电荷，达成大幅提升容量的成效。除此之外，也有类似锂离子电池原理的离子插层办法，来额外储存电荷至电极。可以发现，上述赝电容方案都通过额外的化学反应来提高超电储存电荷的能力，从而使得超级电容器成为物理原理与化学原理综合储存能量的代表性器件。

现在超级电容器的能量密度能达到40 Wh/kg，即已经超越铅酸电池，虽然相较锂离子电池还有比较大的差距（锂离子电池可达300 Wh/kg），但因为其综合了电池与电容器的特征，在迅速充放电方面的独特优势，超级电容器已经在当今生产日常广泛用：譬如上海的930路公交汽车就使用超级电容器作为电能提供装置，汽车在站台停站上下客时飞速补满电，然后可轻松借助补充的电能行驶至下一站站台继续补电。因为不涉及充电站充电的过程，因此汽车运行效率高，也防止了锂离子电池潜在的安全性问题。而得益于超级电容器的高功率特质，其与锂离子电池配合可以兼具容量与功率优势，被渐渐应用于电网调峰、储能、汽车启动等范围。相信将来也非常快能在消费级电子设施上见到超级电容器的身影：无论是相机闪光灯、还是指挥天命人战斗时的游戏手柄强烈震动，超级电容器的高功率特质可以给用户愈加贴心的体验。

结语

无论电池、电容器还是超级电容器，都来自科学家们对电能储存方法的不断探索、考虑和尝试。大家也发现伴随科技的不断进步，物理、化学对电能的储存界限早已模糊，综合借助各种学科常识，来帮助人类进步更好的电能储存装置，是学术界不断努力的方向，也是满足人民群众日益增长的能量需要的必然趋势。

孙奥创手持“超级电容器”

参考文献

[1] J. M. Crow, Fast charging supercapacitors, Chemistry World

[2] Chem. Rev. 2022, 122, 12, 10821–10859.

[3] Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 3303.

[4] Chem. Rev. 2018, 118, 18, 9233–9280.

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