超级电容器(supercapacitor)又称“超级电容”(ultracapacitor)，其储能方式与电池类似，但关键差异在于其能在极短时间内释放大量电能，而非像电池一样分数小时释放。因此，这类高功率密度的储能系统特别适合短期供电需求，例如用于关键任务备用的发电设备。此外，它们也能满足设备中瞬时变化的能源需求，例如笔记本电脑、相机，甚至是具备能量回收功能的可穿戴设备。
尽管与电池相比，超级电容器无法提供稳定且持久的电力，因此不太可能完全取代电池在特定应用中的角色，但它们可以与电池互补，针对一些电池难以克服的限制提供解决方案。
以下将探讨目前研究人员如何通过新材料与技术提升超级电容器表现，并弥补传统电源技术的空缺。
市面上的电子产品(如智能手表、健身手环)常配备超级电容器，用来为需要快速爆发能量的组件供电，来支持电池满足峰值功率的需求，智能手机的闪光灯就是很好的例子。
然而，传统制造超级电容器电极活性炭所用的工艺不但耗时，且能源消耗巨大。有研究人员致力于以食物垃圾来制造智能手机专用的超级电容器，试图解决这一问题。
具体方法是使用山竹果壳来提炼制作电极用的活性炭，用这些碳材料来储存电荷。研究人员开发出一种干燥工艺，先将果壳干燥后在无氧环境下加热，随后使用特定化学物质将其转化为所需材料。山竹果外壳碳含量可达45%，因此具备作为超级电容器电极原料的潜力。
与传统方法相比，这种新方法省略了约5小时的高温热处理阶段，因此更能耗更低，也更有可能被商业化。根据估算，每5磅(约2.3公斤)山竹果壳就可制造数百颗超级电容器。
对于追求可持续发展目标的制造商来说，这种替代方案尤其值得探索。同时也能向相关人员展示企业在实践环保工艺方面的诚意。相比之下，锂离子电池报废后，其所含锂回收率不到1%。若能使用环保技术为智能手机制造超级电容器，将有望减少废弃物，并使制造商规避锂电池回收率低的问题。
大多数人虽喜欢电池产品的便携，但也对充电所需的超长时间颇有微词。在外出时找到电源插座并等待这么久显然不方便。超级电容器在这方面，可能大有可为。由于其功率密度高于传统电池，充电时间也大幅缩短，未来可能成为高频率使用设备中的绝佳选择。
举例来说，铅酸电池充电时间约需5到14小时不等，而超级电容器仅需30秒内即可充满。在同一应用中并用电池与超级电容器，可有效缓解尖峰功耗对电池寿命的影响。
有一位研究人员利用其化学工程背景来改进储能设备，专注于改善电子产品与车辆中的储能设备。他指出，超级电容器的最大吸引力正是其速度——充电快、释放能量也快。
他的研究深入探讨了带电离子在电容器微孔结构中的运动。超级电容器表面孔隙越多，其电容就越高，理解离子的运动行为有助于工程师进一步控制其充放电速率。这些发现有望催生未来更高效的设备，让笔记本电脑、手机、电动汽车的电池在几分钟内快速充电。
该研究团队同时开发出了一套用于预测离子运动的模拟方法，可于数分钟内完成模拟，进一步加速超级电容器在日常设备中的应用潜力。
电池因反复充放电而逐渐劣化，因此消费者会发现平板、无线耳机等设备的续航会随时间的推移而缩短。虽然市面上常建议将电量维持在20–80%范围以减少劣化，但在实际使用情况下并不容易做到，因此科学家们正积极寻找替代方案。
超级电容器同样也会随充放电循环而衰退。来自苏格兰、韩国和印度的科学家共同发现，一种产自印度的树胶可以防止超级电容器性能退化。该研究团队将这种树胶制成多孔生物聚合物(spongy biopolymer)，再加入超级电容器的酸性电解液中，形成保护层。实验显示，这种保护层能有效减缓电极退化，同时不会影响离子传输过程，也就是说不会降低其充放电效率。
他们进一步测试这种方法在高循环下的效果。在经过3万次充电循环后，加入树胶保护层的超级电容器仍保有93%的总储能容量，而未添加的则降至58%。此外，研究人员指出，这种树胶在当地几乎没有实用价值，甚至难以妥善处理。
研究人员表示，添加这种生物聚合物的超级电容器，寿命有望延长至80年。
这项创新不仅改善了超级电容器的性能与耐用性，同时具备极高的环境友好性与可回收性，将有助于提升其在电子设备与电动汽车等领域的应用潜力，并进一步减少因充放电退化所产生的电子废弃物。此外，该电极添加剂可回收利用且可分解，十分有助于可持续发展。
用于超级电容的树胶KS添加剂开发过程示意图。(来源：University of Glasgow)
这些例子说明，只要与电池互补使用，超级电容器就能克服许多现代电源技术的缺点。对工程师、产品设计师与开发人员而言，关键在于分析传统能源技术的瓶颈，并思考超级电容器是否能提供补充甚至替代的解决方案。善用这类新兴技术，将能让未来的电子产品更高效、更可持续。
(原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products，参考链接：Supercapacitor research finds new applications。)
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