超電容與柱型電池 (I)
超電容與電池的差異性
前言
超電容與電池為現今在中最常被使用的兩種電能貯存/傳輸配件
如下圖拉貢曲線所示，
電池因其性能較常被使用於能量貯存/傳輸，超電容則適合用在電力貯存/傳輸
電容器已經使用了約有 150 年，主要以夾在兩個電導體之間的非導電介電材質組成(最理想狀態為真空)
在 1975 年，由 Conway 提出的研究理論證明：
氫離子在白金電極上氧化還原反應導致的二氧化釕欠電位沉積，被之為超級電容器 (supercapacitor, SC)
由於超電容中會產生電化學反應，所以時常與電池搞混，我們將會著重於闡明兩者的關鍵性差異，同時點出兩者的相似處
定義
許多文章詳細探討了超電容與電池的差異，
包括在 1991 年 Conway 發表的文章，以及近期發表且較受人矚目 Simon 團隊、Costentin 團隊的理論
電容是由隔開兩導體的介電材料所組成，其材質可被極化，可自形成電場
電容的主要特性為：
讓相反電荷能在通道板/電極上聚集，過去常用的介電絕緣材料為玻璃、陶瓷、紙張等等
19 世紀末，世界上第一個電解電容橫空出世，由在鹼性介質中具有穩定氧化層的鋁板製成
電容器在 1950 年後即使用於能量儲存，
1970 年代在電容器方面的研究有了重大突破-可在單位容積內儲存更多的能量，超電容 SC 一詞也隨之出現
圖 1：不同種類的電容器與其主要材料(僅列出部分)
電容、電壓與其大小尺寸、能量消耗有關
藉由上圖 1 可發現市面上的電容器分為以下幾類：
- 介電型電容器（陶瓷、薄膜類）
- 電解型電容器（鋁製、鉭製）
- (電)雙層型電容器（EDLCs）
- 超電容（偽電容器）
圖 1 的電容器皆符合 Conway 的理論：
當超電容與 EDLC 分開時，其內部發生電化學反應，該電容為贋電容器
近期有一些關於電容器的謬誤出現，尤其又以 EDLCs 與贋電容器被認為是「超電容」為多，
也有超電容即為 EDLCs 一說，氧化超電容 (oxide supercapacitors) 亦被誤認是電化學偽超電容器
超電容器結合 EDLC 和偽電容器的優點：能儲存較多能量，充電時間較短，循環時間較長
總的來說，超電容是專門儲存電力的電容器，與傳統的電子容器用途相反－能源穩定、週期性信號處理、信號過濾等等
有關電池相關的資訊，可詳閱北極光學習中心文章：「電池名詞大綱系列」
電容器與法拉第電流
在電化學領域，無論實驗系統類型，電極電壓 U(t) 產生的總電流 I 為：
- IC = 電容電流、If = 法拉第電流
電容電流 Ic 的大小取決於電壓 U(t) 與電容 C 的時間導數：
在特殊情況下，以速率 V 進行電壓掃描，且 
法拉第電流表現式相對較複雜，通常取決於電子相關動力因素和電活性物質的界面濃度
在超電容和電池的領域中，可選擇以下兩種相關的電化學機制：
- 物質表面法拉第電流通過，產生電子吸附反應、均質反應
- 大量或薄膜法拉第電流通過，即產生受限的擴散/輸入反應
上述兩種電流有助於區分設備類型：
- 電流僅為電容性應用，且從電荷位移中提取電能的設備
(例如：電容器、EDLC) - 電流為法拉第電流，並從離子電荷和電導體間的電子轉移提取電能的設備
(例如：偽電容器、電池)
資料來源：BioLogic Learning Center – Supercapacitors and insertion batteries: what are the differences?
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