：电容器将用于大量储备电能？

在电路中，电容器常常用于储存少量电能，但还尚未应用于大容量储存电能。来自日本的研究人员发现，电阻和电容的合理结合能满足储能的两个基本要素：快速充电和长时间放电。在电路中使用电容器作为储能器件未来将在很多领域得到广泛应用，例如混合动力汽车、备用电源以及替代能源存储器件。

来自日本东北大学的Mikio Fukuhara，Tomoyuki Kuroda和Fumihiko Hasegawa教授将他们在这一领域的研究成果发表在了最新一期的ApplIEd Physics Letters杂志上。

▲ 图片说明：（a）和（b）是电阻器-电容器组合的充电/放电曲线；（c）是完全充放电过程的三维漏斗型表面曲线。图片来源：Fukuhara, et al.©2014 AIP Publishing LLC

寻找高效的电能储存方法一直是研究的热点，不考虑电路时，人们将研究重点放在电池、燃料电池和双电层电容器（electric double-layer capacitors，EDLCs）上。目前，还没有研究表明电容器或超级电容器可以作为电路中的储能设备。

为了探索电路中应用电容器储能的可能性，科研人员研究了126组电阻-电容（RC）组合的充放电行为，其中包括18个电阻器、3个陶瓷电容器和4个铝质电解电容器。研究表明在RC组合中，包含一个小的电阻器、一个大的电阻器和一个大的电容器的组合形式具有最好的充放电性能。有的电路可以在20s内充电完成，且电量可保持超过40分钟，电容可达100毫法（mF）。

▲ 图片说明：在电路中实现快速储存大量电荷并控制其长期缓慢放电的步骤：（a）关闭开关S1、S2、S3和S4使得电容器（C）快速充电；（b）打开开关S1、S2、S3和S4，使得电容器储存电荷；（c）关合S2和S4闭合输出电路，使得电容器（C）开始缓慢放电，并利用一个可变电阻控制放电过程。图片来源：©2014 AIP Publishing LLC

Fukuhara表示：“本项工作最大的意义就是发现了一种在电路中能够快速充电和缓慢放电的RC组合形式。这一系统将成为未来存储大容量电能的一种重要方法。基于此用途，用于存储电能的电容器将由一种电化学装置转变为一种物理装置。”

研究人员将电路的快速充电和缓慢放电归因于大电阻的堰塞效应。他们认为电阻和超级电容器电容的关系类似于水箱中塞子大小和存水量的关系。塞子（电阻）越大，水箱中可以储存的水量（电容）越多。直到现在，很多电路中用于储能的RC组合的堰塞效应仍被忽视。

研究同时表明，非晶TiO2且表面有很多纳米尺寸小孔的固态超级电容器要比液体电解质的常见超级电容器性能更加优异。在早期工作中，研究人员就总结得到TiO2固态电容器在储能方面的诸多优势，比如：高达4.8F的电容量；超大工作温度区间（193-453K）；工作电压范围大（在10到150V之间）。相比来说，传统的双电层电容器不具备这些优势。

Fukuhara表示：“除了最早的研究工作外，人们普遍认为电路适合于快速充电和快速放电。因此，RC组合在电能存储方面的堰塞效应一直都被忽视了。当我们开始研究使用固体材料制备的物理电容器时，基于传统理念，我们开始质疑电容器的常用方法。”

未来，研究人员试图进一步提高这些固态超级电容器的性能，使其储能效果加倍。

Fukuhura说道：“我们的目标是制备适用于电动汽车和交流输电线的固态物理电能储存设备，并且可以储存发生闪电时空气中存在的大量电荷，但无疑，这还需要很长时间。”

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