超级电容器（也称为超级电容、超电容器）是一种介于电解电容器和可充电电池之间的大容量的电容器。其电容值远高于其他电容，但受限于较窄的电压范围，它们通常是电解电容器每单位体积或质量所能存储能量的10到100倍，能够比电池更快的充放电，并且比可充电电池允许更多的充电和放电循环。
超级电容器一般用于需要多次快速充放电循环而不是长期紧凑储能的应用中，例如:家用汽车、公共汽车、火车、起重机和电梯中。它们被用于再生制动、短期储能或突发模式下的电力输送。[3]较小的这种电容器可以用作静态随机存取存储器的存储器备份。
与传统的电容器不同，超级电容器不使用传统的固体电介质，而是使用双电层电容和电化学赝电容，[4]这两者通过稍有差异的方式一起提供了电容器的全部电容:
电解液在两个电极之间形成离子导电连接，这将它们与传统的一直具有介电层的电解电容器区分开来。且所谓的电解液(例如MnO2或者导电高分子)实际上是第二电极(阴极，或者更准确地说是正极)的一部分。超级电容器通过使用非对称电极的设计达到极化，或者在制造过程中对对称电极施加电位以达到极化。
双电层与赝电容模型的发展。
20世纪50年代初，通用电气公司的工程师从设计燃料电池和可充电电池开始，在电容器设计中尝试使用多孔碳电极。活性炭是一种电导体，是一种超多孔的具有高比表面积的“海绵状”碳。1957年，贝克尔(H. Becker)开发了一种“使用多孔碳电极的低压电解电容器”。[5][6][7] 他相信能量作为电荷可以存储在碳孔中，就像在电解电容器的腐蚀箔的孔中一样。因为当时他并不知道双电层机制，他在专利中写道:“如果它用于储能的话，会带来极高的容量，虽然目前并不清楚组成的成分中到底发生了什么。”
通用电气公司并没有立即着手这项工作。1966年俄亥俄标准石油公司的研究人员在实验燃料电池的设计时，开发了另一个版本的做为“电能存储设备”的元件。[8][9]直至1970年，唐纳德·博斯(Donald L. Boos)获得专利的使用活性炭电极的电解电容器。[10] 都没有能真正描述电化学储能的本质。
早期的电化学电容器一般将两个覆盖有活性炭的铝箔做为电极浸泡在电解质中，并用薄的多孔绝缘体隔开。这种设计使电容器的电容约为 1 法[拉] ，其明显高于相同尺寸的电解电容器。现在，这种基本的设计仍然是大多数电化学电容器的基础。
俄亥俄标准石油公司没有将他们的发明商业化，而是将这项技术授权给了日本电气 ，最终日本电气在1971年将这项技术作为“超级电容器”投入市场，为计算机存储器提供后备电源。[9]
1975年至1980年间，布莱恩·埃文斯·康威对二氧化钌电化学电容器进行了大规模的基础和开发工作。1991年，他描述了电化学储能中“超级电容器”和“电池”行为的差异。1999年，他创造了超级电容器一词，以解释电极和离子之间法拉第电荷转移引起的表面氧化还原反应而带来的更高的电容。[11][12]他的“超级电容器”一部分储存了亥姆霍兹双电层电荷，另一部分是来源于电极和电解质之间，电子和质子的“赝电容”电荷转移的法拉第反应。赝电容器的工作机制就包括氧化还原反应、插层反应和电吸附作用。随着他的研究，大大扩展了对电化学电容器的认识。
这个市场发展缓慢。直到大约1978年，松下公司将其Goldcaps品牌推向市场，这种情况才发生了变化。[2]该产品成功的为存储器备份应用提供能源。[9]仅仅几年后，市场的竞争就开始了。1987年， 日本ELNA公司的DYNACAP系列进入市场。[13]这种第一代双电层电容器具有相对较高的内阻，限制了放电电流。其只能用于低电流应用，例如：为静态随机存取存储器芯片供电或数据备份。
在20世纪80年代末，通过改进的电极材料增加了电容值。同时，具有更好导电性的电解液的开发降低了等效串联内阻，增加了充放电电流。第一个低内阻超级电容器于1982年由Pinnacle研究所(PRI)开发用于军事应用，并以“PRI超级电容器”的名称进入市场。1992年，麦斯威尔实验室(后来的麦斯威尔科技公司 )接管了这项开发。麦斯威尔采用了Pinnacle研究所中使用的超级电容这个术语，并称之为“Boost Caps”[14]以强调它们在电力应用中的用途。
由于电容器的能量含量是随着电压的平方而增加的，所以研究人员希望找到一种方法可以增加电解质的击穿电压。1994年，大卫·埃文斯(David A. Evans)开发了一种“电解混合电化学电容器”，其是一种使用了200伏高电压的阳极的钽电解电容器。[15][16]它们将来自电解电容器阳极的高介电强度，和电化学电容器的赝电容金属氧化物 ( 钌(四)氧化物 ) 阴极的高电容的特性相结合，产生了混合电化学电容器。埃文斯的电容器，“Capattery”，[17]其能量含量比同等尺寸的钽电解电容器高约5倍。[18]但它们的高成本也将它们限制在特定的军事应用中。
最近的发展，包括锂离子电容器。这些混合电容器由FDK公司在2007年首创。[19]它们将静电碳电极和预掺杂的锂离子电化学电极结合在一起，从而增加了电容值。此外，预掺杂过程降低了阳极电位，使其具有较高的电池输出电压，进一步增加了比能。
活跃的许多公司和大学的研究部门[20]正在努力改善这些电容器的特性，例如：比能、比功率和循环稳定性，同时降低生产成本。
电化学电容器(超级电容器)由被离子渗透膜(隔膜)隔开的两个电极和通过离子连接两个电极的的电解液组成。当电极被施加的电压极化时，电解液中的离子形成与电极极性相反的双电层。例如，正极化电极将在电极/电解液接触面具有一层负离子并且与吸附在负极层上的正离子形成电荷平衡层。负极化电极的情况正好相反。
此外，取决于电极材料和表面形状，一些离子可能渗透双电层成为特异的吸附离子，并与赝电容一起提供超级电容器的全部电容。
两个电极形成由两个独立电容器C1和C2.组成的串联电路。以下公式可以计算其总电容Ctotal
超级电容器可以具有对称或者非对称的电极。对称的意味着两个电极有着相同的电容，产生的总电容为每个单个电极电容值的的一半，即如果C1 = C2, 则 Ctotal = ½ C1。而对于非对称的电容器，其总电容可以视为其中电容较小的电极的电容，即如果C1 >> C2, 则 Ctotal ≈ C2。
电化学电容器利用双电层效应存储电能。然而，这种双电层没有传统的固体介质来分离电荷。这样提供了电化学电容器总电容的电极双电层，则有两个存储原理：[21]
两种电容只能通过测量技术进行分离。在电化学电容器中，尽管每个存储原理的电容量可能变化很大，但是每单位电压存储的电荷量与电极尺寸相关。
实际上，这些存储原理可产生电容值约为1到100法拉的的电容器。
双电层电容
每个电化学电容器都有两个通过电解液彼此离子型连接的电极，并由隔膜从机械结构上分隔开。电解液是溶解在水等溶剂中的正负离子的混合物。在两个电极表面上都会形成一个液态电解质与电极导电金属表面接触的区域。这样的接触面在两个不同的物相之间形成共同的边界。例如：不溶的固态电极表面和相邻的液态电解质之间。在这个接触面上出现了一种非常特殊的双电层效应现象。[23]
施加一个电压到电化学电容器上，会导致电容器的两个电极之间产生双电层。这些双电层由两层电荷组成：一个电子层位于电极的表面晶格结构中，另一个具有相反极性的电子层来自于电解液中溶解的和溶剂化的离子。这两个电子层由单层的溶剂分子分隔开，例如，使用水做为水分子溶剂，称为内亥姆霍兹层(IHP)。溶剂分子通过物理吸附附着于电极表面，将相反极性的离子彼此分隔开，并且可理想化的作为分子电介质。在这个过程中，电极和电解液之间没有电荷转移。因此相应的粘附力不是来自于化学键，而是物理力(例如静电力)。被吸附的分子被极化，但由于电解液和电极之间缺乏电荷转移，因此没有发生化学变化。
电极中的电荷量与外亥姆霍兹层(OHP)中的反向的电荷量相匹配。这种双电层现象和传统电容器一样存储电荷。双电层电荷在内亥姆霍兹层的溶剂分子的分子层中形成静电场，且与所施加的电压强度相对应。
虽然只有单个分子的厚度，双电层与传统电容器中电介质层作用类似。因此，传统的极板电容器的标准公式可用于计算其电容:[24]
。
根据公式，在当制成电容器的材料的介电常数ε 较大，电极极板的表面积A 较大，以及极板之间的距离d 较小时，电容C 会达到最大值。从而，由于活性炭电极的超大比表面积和只有几个埃的德拜长度的极薄的双电层距离(0.3-0.8nm)， [14][22] 双电层电容器有着比传统电容器高很多的电容值。
双电层超级电容器的碳电极的主要缺点是量子电容值小，[25]这是由于它们是将带有离子空间电荷的电容串联起来[26]。因此，如果要进一步增加超级电容器的电容密度与增加碳电极纳米结构的量子电容相关。[25]
在电化学电容器中，每单位电压存储的电荷量主要是与电极尺寸相关的函数。双电层中能量的静电存储相对于存储的电荷是线性的，并于所吸附的离子的浓度相关。此外，双电层电容器中的电容与电解液中离子的有限的移动速度以及电极电阻的多孔结构有关，而传统电容器中的电荷是通过电子进行转移的。由于电极或电解液内没有发生化学变化，因此双电层的充放电次数在原则上是无限的。真正的超级电容器的寿命只受电解液蒸发效应的限制。
电化学赝电容
当电压作用于电化学电容器的端子上，会将电解液离子移动到相反的极化电极上，并形成以单层溶剂分子做为隔膜的双电层。当电解液中特定的吸附离子渗透到双电层时产生赝电容。在具有双电层的电化学电容器的适当的电极表面上，赝电容通过可逆的法拉第氧化还原反应存储电能。[11][21][22][27][28]赝电容伴随着一个介于电解液和电极之间的电子电荷转移，该电荷转移来自于去溶剂化的和吸附的离子，且每个单位电荷仅有一个电子参与进来。这种法拉第电荷转移来源于一系列的快速的可逆氧化还原反应，插层反应或者电吸附过程。由于只产生了电荷转移，所以这些吸附的离子没有与电极的原子进行化学反应，即没有化学键产生[29]。
法拉第过程中涉及的电子，会被转移到或者转移自氧化还原电极试剂的价电子状态(轨道)。它们进入负电极，并通过外部电路流到正电极，在那里形成了具有相同数量阴离子的第二个双电层。到达正电极的电子不会被转移成形成双电层的阴离子，而是保留在电极表面的强离子化和“电子缺乏”的过渡金属离子中。因此，法拉第赝电容的存储容量受限于有效表面上的试剂的有限的数量。
法拉第赝电容仅与静态双电层电容一起出现，其大小可能超过相同表面积的双电层电容值的100倍，这取决于电极的性质和结构，因为所有赝电容反应仅会发生在远小于其溶壳溶剂化离子的去溶剂化的离子中。[11][27]赝电容的量具有一个范围过窄的线性函数，其与所吸附的阴离子的表面覆盖的电压依赖程度相关。
电极通过氧化还原反应、插层反应或电吸附作用实现的赝电容效应的能力，非常依赖于电极材料对吸附在电极表面的离子的化学亲和力以及电极多孔的结构和尺寸。在赝电容器中，用作电极的具有氧化还原行为的材料，是掺杂到诸如活性炭的导电电极材料中的，类似RuO2，IrO2，或MnO2的过渡金属氧化物，以及覆盖电极材料的导电聚合物，例如聚苯胺或聚噻吩的衍生物。
存储在赝电容中的电荷量与施加的电压成线性比例。赝电容的单位是法[拉] 。
传统的电容器(也称为静电电容器)，例如陶瓷电容器和薄膜电容器，由被电介质材料隔开的两个电极组成充电时，能量储存在渗透到电极之间介电中的静电场中。其总能量随着存储电荷量的增加而增加，而电荷量又与极板之间的电位(电压)线性相关。极板之间的最大电位差(最大电压)受限于电介质的击穿场强。相同的静电存储也适用于电解电容器，其中大部分的电位在阳极的薄氧化层上降低。稍具有电阻性的液体电解液(阴极)会导致“湿”电解电容器的电位小幅下降，而对于具有固体导电聚合物电解液的电解电容器来说，这一电压下降可以忽略不计。
相反，电化学电容器(超级电容器)由两个通过离子渗透膜(隔膜)隔开的两个电极组成，并通过电解液电连接。能量存储作为双层电容和赝电容的混合物，发生在两个电极的双电层内。当两个电极具有大约相同的电阻()时，电容器的电位在两个双电层上对称降低，由此实现在电解液的等效串联内阻(ESR)的压降。对于像混合电容器这样的不对称超级电容器，电极之间的压降可能是不对称的。电容器的最大电位(最大电压)受限于电解液的分解电压。
如同传统电容器一样，超级电容器中的静电和电化学能量存储相对于存储的电荷是线性的。电容器端子之间的电压相对于储存的能量的数量是线性的。这种线性电压梯度不同于可充电电化学电池。可充电电化学电池会提供相对恒定的电压，其端子之间的电压与存储的能量无关。
超级电容器会与电解电容器和可充电电池竞争，尤其是锂离子电池。下表对三种主要的超级电容器系列与电解电容器和电池的主要参数进行了对比。
| 参数 | 铝电解电容器 | ——超级电容器—— | 锂离子电池 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 双电层电容器 (存储器备份) |
超级电容器 (高功率) |
赝电容器 &混合(锂离子电池) (长期) |
|||
| 温度范围， 摄氏度 (°C) |
−40...+125°C | −40...+70°C | −20...+70°C | −20...+70°C | −20...+60°C |
| 最大电荷， 伏特(V) |
4...630 V | 1.2...3.3 V | 2.2...3.3 V | 2.2...3.8 V | 2.5...4.2 V |
| 充电周期， 千次 (k) |
无限 | 100 k...1 000 k | 100 k...1 000 k | 20 k...100 k | 0.5 k...10 k |
| 电容， 法拉 (F) |
≤ 2.7 F | 0.1...470 F | 100...12 000 F | 300...3 300 F | —— |
| 比能， 毫瓦特小时每克 (mW·h/g) |
0.01...0.3 mW·h/g |
1.5...3.9 mW·h/g |
4...9 mW·h/g |
10...15 mW·h/g |
100...265 mW·h/g |
| 比功率， 瓦特每克 (W/g) |
> 100 W/g | 2...10 W/g | 3...10 W/g | 3...14 W/g | 0.3...1.5 W/g |
| 室温下的 自放电时间 |
短 (数天) |
中等 (数周) |
中等 (数周) |
长 (月) |
长 (月) |
| 效率(%) | 99% | 95% | 95% | 90% | 90% |
| 室温下的使用寿命， 年 (y) |
> 20 y | 5...10 y | 5...10 y | 5...10 y | 3...5 y |
电解电容器具有无限充电/放电周期、高介电强度(高达550V)，且在较低的冲放电频率范围内作为交流电阻能具有良好的频率响应。超级电容器可以储存比电解电容器多10至100倍的能量，但不支持交流电的应用。
相对于可充电电池，超级电容器具有更高的峰值电流、较低的单次循环成本、没有过充的危险、良好的可逆性、无腐蚀性电解液和低材料毒性。电池提供较低的购买成本和稳定的放电电压，但需要复杂的电子控制和开关设备，同时会有持续的能量损失，并在短路时会有火花危险。
超级电容器有不同的样式，如单对电极的平板样式、卷绕在圆柱形外壳中或层叠在矩形外壳中。由于它们覆盖了很宽的电容值范围，所以外壳的大小可能会有所不同。
用于可移动元件的超级电容器的平板样式
用于工业应用的电路板安装用超级电容器的径向样式
卷绕式超级电容器的示意结构图(1. 端子，2. 安全阀，3. 密封盘，4. 铝壳，5. 正极，6. 隔膜，7. 碳电极，8. 集电器，9. 碳电极，10. 负极)
具有层叠电极的超级电容器的示意结构图(1. 正电极，2. 负电极，3. 隔膜 )
超级电容器由两个金属箔(集电器)构成。每个金属箔涂有电极材料，如活性炭，做为电极材料和电容器的外部端子之间的电源连接。特别是对电极材料来说，活性炭有着非常大的比表面积。在这个例子中，活性炭会被电化学腐蚀，使得材料表面比光滑表面大大约100000倍。电极通过做为绝缘体使用的离子渗透膜(隔膜)分隔开，以保护电极免受短路的影响。该结构随后被卷绕或层叠成圆柱形或矩形，并且可以层叠在铝罐或可适应的矩形外壳中。然后用有机质或水溶液的液体或者粘性电解液浸渍电池。电解液，即离子导体，会进入电极的多孔，并作为隔膜上电极之间的导电连接。最后，外壳被完全密封，以确保在指定的使用寿命内保持稳定的性能。
电能通过两种存储原理存储在超级电容器中：双电层电容和电化学赝电容两种类型电容的分布取决于电极的材料和结构。根据其存储原理，超级电容器有三种类型:[14][22]
因为双电层电容和赝电容一起不可分割的提供了电化学电容器的全部电容值，所以只能用通用术语正确描述这些电容器。最近提出了超级电容电池和超级电池的概念，以更好地分别表达这些更像超级电容器和可充电电池的混合器件。[30]
超级电容器的电容值由两个存储原理决定:
双电层电容和赝电容一起提供了电化学电容器的全部电容值。[21]然而，根据电极的设计和电解液的组成，两者的比例可以有很大变化。赝电容自身可以将电容值增加到双电层电容值的十倍。[11][27]
双电层电容器是电化学电容器，其中主要通过双电层电容存储能量。在过去，所有的电化学电容器都被称为“双电层电容器”。而现代，双电层电容器和伪电容器一起做为电化学电容器大家族的一部分[11][27] ，称为超级电容器。
超级电容器的特性来自其内部材料的相互作用。特别是，电极材料和电解液类型的组合决定了电容器的功能以及热电特性。
超级电容器的电极通常有薄涂层，并电连接到可导电的金属集电器。电极必须具有良好的导电性、高温稳定性、长期化学稳定性(惰性)、高耐蚀性和每单位体积和质量下的高比表面积。同时还有对环境友好和低成本的要求。
超级电容器中，每单位电压存储的双电层和赝电容的量，主要是与电极的比表面积相关的函数。因此，超级电容器的电极通常由具有极高比表面积的多孔海绵状材料制成，例如活性炭。此外，电极材料执行法拉第电荷转移的能力也能增强了总电容。
通常电极的孔隙越小，电容和比能越大。且较小的孔隙会增加等效串联电阻(ESR)并降低比功率。峰值电流高的应用需要较大的孔隙和较低的内部损失，而高比能的应用则需要较小的孔隙。
双电层电容器的电极
超级电容器最常用的电极材料是各种表现形式的碳，如活性炭(AC)、碳纤维布(AFC)、碳化物衍生碳 (CDC)、碳气凝胶、石墨 (石墨烯)、石墨烯衍生物[31]和碳纳米管。[21][32][33]
即使根据孔径分布也可能存在少量赝电容，碳基电极主要表现为静态双电层电容。碳中的孔径通常为微孔(小于2 nm)至中孔(2-50 nm)，[34]其中只有微孔(< 2 nm)会产生赝电容。当孔径接近溶剂化的壳层大小时，除了溶剂分子外，只有未溶解的离子(包括大离子)会填充这些孔，通过法拉第氢插层反应增加了离子填充密度和存储能力。[21]
活性碳
活性炭是用于双电层电容器的电极的第一种材料。尽管其导电率仅约为金属的0.003%(1250至2000S/m)，但对于超级电容器来说已经足够了。[22][14]
活性炭是一种超多孔形式的碳，具有很高的比表面积 。一种常用的近似计算为，1克活性炭(0.035 盎司，约铅笔橡皮擦大小的量)的比表面积大致为1000到3000平方米(11000到 32000 平方英尺)[32][34]，即大约4到12个 网球场的大小。电极中使用的体积形态是有许多孔隙的低密度的，这样可以提供较高的双电层电容。
固体活性炭，也称为固结非晶态碳(CAC)，是超级电容器中使用最多的电极材料，并可能比其他碳衍生物便宜。[35]它由活性炭粉末压制成所需形状，形成具有宽范围的孔径分布的块状物。一个比表面积约为1000 m2/g的电极会带来约为10 μF/cm2的典型的双电层电容和100F/g的比电容。
截至2010年，几乎所有商用超级电容器都使用椰子壳制成的活性炭粉末。[36]椰子壳制成的活性炭比木头制成的木炭有更多的微孔。[34]
活性炭纤维
活性炭纤维(ACF)由活性炭制成，一般直径为10 µm。它们的微孔可以具有非常窄的孔径分布，并可以很容易地被控制。织成纺织品的活性碳纤维的比表面积约为2500 m2/g。活性炭纤维的电极的优点在于其沿纤维轴向的低电阻以及与集电器的良好的接触状态。[32]
由于是活性炭，活性炭纤维的电极主要表现出双电层电容，并由于其微孔结构，会具有少量的赝电容。
炭气凝胶
碳气凝胶是一种高度多孔的、合成的、超轻材料，来源于有机凝胶，其中凝胶的液体成分已经被气体替代。
气凝胶电极通过间苯二酚-甲醛气凝胶的高温分解制成，[37]并比大多数活性炭具有更好的导电性。它们能够使得薄且机械稳定的电极达到仅数百微米的厚度，并且具有均匀的孔径。气凝胶电极还为超级电容器提供了，在高频振动的环境下的机械稳定性和振动稳定性。
研究人员创造了一种炭气凝胶，其重量密度约为400-1200m2/g，体积比电容为104F/cm3，且其产生的比能为325 kJ/kg（90 Wh/kg)，比功率为20 W/g。[38][39]
标准气凝胶电极主要表现出双电层电容。气凝胶电极掺入复合材料后能添加大量的赝电容。[40]
碳化物衍生碳
碳化物衍生碳 (CDC)，也称为可调纳米多孔碳，是一种从碳化物前驱体衍生的碳材料，例如：二元碳化硅和碳化钛，它们通过物理(例如，热分解)或化学(例如，卤化)过程转化为纯碳。[41][42]
碳化物衍生碳可以表现出高比表面积和可调孔径(从微孔到中孔)，以最大化离子约束，并通过法拉第氢吸附处理增加赝电容。专用孔径设计的碳化物衍生碳的电极比传统活性炭提供的比能多出高达75%。
截至2015年，碳化物衍生碳的超级电容器能够提供10.1Wh/kg的比能，3500f的电容量和超过一百万次的充放电循环。[43]
石墨烯
石墨烯是一片原子厚度的石墨片，其原子排列成正六边形，[44][45]也称为“纳米复合材料”。[46]
石墨烯有着理论上为2630m2/g的比表面积，并且理论上可产生550 F/g的电容量。此外，石墨烯相对于活性炭的一个优势是其具有更高的电导率。截至2012年，在针对便携式应用的一项新的研究中，将石墨烯片直接用做无集电器的电极。[47][48]
在一个实施方案中，基于石墨烯的超级电容器使用不面对面层叠的曲化石墨烯片。其在高达4V的电压下形成的中孔，具有易接近离子电解液和可被离子电解液润湿的特性。在室温条件下，其可获得相当于传统镍氢电池的85.6Wh/kg（308kJ/kg)的比能，但比功率高出了100-1000倍。[49][50]
石墨烯的二维结构改善了充电和放电。垂直面向的石墨烯片中的载流子可以快速迁移到电极更深的结构中或从电极更深的结构中迁移出来，从而可以增加电流。这种电容器可以用于100/120Hz的滤波器应用，这是其他碳材料的超级电容器所做不到的。[51]
碳纳米管
碳纳米管(CNTs)，也称为布基管，是具有圆柱形纳米结构的碳分子。它们有一个以原子厚度的石墨片做为壁的中空结构。这些石墨片以特定的和离散的(手性)角度进行卷绕，手性角和半径的组合可以控制诸如电导率、电解液可润湿性和离子易接近等性能。碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。后者具有一个或多个依次包裹单壁碳纳米管的外管，很像俄罗斯套娃。单壁碳纳米管的直径在1-3 纳米之间 。多壁碳纳米管具有更厚的同轴壁，由接近石墨烯层间距的0.34 纳米的间距隔开。
碳纳米管可以在集电器基底上垂直增长，例如硅片。其一般长度为20至100微米。[52]
由于碳纳米管具有可润湿性的高比表面积以及高导电性，所以其可以极大地改善电容器性能。[53][54]
在特拉华大学(UDel)，魏秉庆教授的团队对一种使用基于单壁碳纳米管的水系电解液超级电容器进行了系统的研究。李炫华等人首次发现离子尺寸效应和电极-电解液可润湿性是影响柔性单壁碳纳米管超级电容器在不同阴离子和阳离子的1摩尔水系电解液中的电化学行为的主要因素。实验结果还表明，对于柔性超级电容器，建议在两个电极之间施加足够的压力来改善水系电解液碳纳米管超级电容器。[55]
碳纳米管在每单位比表面积可以储存大约与活性炭相同的电荷，但是碳纳米管的表面以规则的方式排列，提供了更好的可润湿性。与大约3000m2/g比表面积的活性炭相比，单壁碳纳米管的理论的高比表面积为1315 m2/g，多壁碳纳米管则会更低，这取决于其管的直径和嵌套程度。而碳纳米管具有比活性炭电极更高的电容量，例如：多壁碳纳米管为102F/g，单壁碳纳米管为180 F/g。[56]
多壁碳纳米管具有中孔，允许在电极-电解液接触面上离子容易接近电解液。随着孔径接近离子溶剂壳的尺寸，溶剂分子被部分剥离，从而带来更大的离子填充密度并且增加法拉第存储能力。然而，在重复的插层反应和消耗的过程中，相当大的体积变化降低了它们的机械稳定性。为此，增加表面积、机械强度、电导率和化学稳定性的研究仍在继续。[53][57][58]
赝电容器的电极
MnO2和RuO2是用作赝电容器电极的典型材料，因为它们具有电容电极的电化学特征(电流与电压曲线的线性依赖)并表现出法拉第行为。此外，电荷存储来源于电子转移机制，而不是电化学双电层中的离子积累。赝电容是通过在活性电极材料中发生的法拉第氧化还原反应产生的。更多的研究曾集中在过渡金属氧化物(如MnO2)上，这是因为过渡金属氧化物与贵金属氧化物(如RuO2)相比成本较低。此外，过渡金属氧化物的电荷存储机制主要基于赝电容。下面介绍了MnO2电荷存储行为的两种机制。第一种机制意味着还原反应后的大部分材料中的质子插层反应(H+)或碱金属阳离子(C+)随后在氧化时脱嵌。[59]
第二种机制是基于MnO2上电解液阳离子的表面吸附作用。
并非所有表现出法拉第行为的材料都可以用作赝电容器的电极，例如如镍(OH)2，因为它是电池型电极(电流与电压曲线的非线性依赖)。[61]
金属氧化物
布莱恩·埃文斯·康威(Brian Evans Conway)的研究[11][12]描述了能够表现出高赝电容量的过渡金属氧化物电极。过渡金属氧化物，包括钌(RuO2)，铱(IrO2)，铁（Fe3O4)，锰(MnO2)或如硫化钛(TiS2)的硫化物，单独或组合可以产生低电阻的强法拉第电子转移反应。[62]二氧化钌与H2SO4电解液组合可以提供720F/g的比电容和26.7 Wh/kg(96.12 kJ/kg)的高比能。[63]
充电/放电发生在每个电极约1.2V的限制范围上。这个大约有720 F/g的赝电容大约是使用活性炭电极的双电层电容的100倍。这些过渡金属电极具有优异的可逆性，可循环数十万次。然而，钌是非常昂贵的且2.4V的该电容的电压限制范围限制了其在军事和空间应用中的使用。 Das等人报道了氧化钌超级电容器的最高电容量可达到1715F/g，其中的电沉积氧化钌在多孔单壁碳纳米管膜电极上。[64]据报道，1715F/g的高比电容接近了预测的理论上RuO2的2000 F/g电容最大值。
在2014年，一种RuO2超级电容器锚定在石墨烯泡沫电极上。可提供502.78 F/g的比电容和1.11 F/cm2的面积比电容，可带来39.28 Wh/kg的比能以及超过8000次循环的稳定的128.01 kW/kg的比功率的性能。该设备是一个三维的5纳米水合钌锚定的石墨烯和碳纳米管混合泡沫(RGM)结构。这种石墨烯泡沫被RuO2纳米粒子和锚定碳纳米管组成的混合网络所共形覆盖。[65][66]
较便宜的铁、钒、镍和钴的氧化物已经在水系电解液中进行了测试，但没有一种像二氧化锰(MnO2)那样被研究过。然而，这些氧化物都没有被商业应用。[67]
导电聚合物
另一种使用导电聚合物方法是将其作为赝电容材料。虽然其机械性能弱，但导电聚合物具有高电导率，并导致其低等效串联内阻和相对高的电容。这种导电聚合物包括聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯和聚乙炔。这种电极还采用电化学掺杂或用阴离子和阳离子进行聚合物的脱掺杂。由导电聚合物制成或涂有导电聚合物的电极的成本与碳电极相当。
导电聚合物电极通常具有有限的循环稳定性。[68]然而，多并苯电极可以提供高达10000次的循环，比电池好得多。[69]
混合电容器的电极
所有商用混合超级电容器都是非对称的。它们将具有高赝电容值的电极与具有高双电层电容值的电极结合起来。在这样的系统中，具有较高电容的法拉第赝电容电极可以提供高比能，同时非法拉第双电层电容电极可以实现高比功率。与对称的双电层电容器相比，混合型超级电容器的优点是，它们的比电容更高，额定电压更高，相应地比能也更高。[70]
复合电极
用于混合型超级电容器的复合电极由碳基材料构成，该碳基材料具有掺入或沉积的赝电容活性材料，如金属氧化物和导电聚合物。截至2013年，大多数对于超级电容器的研究都在探索复合电极。
碳纳米管为金属氧化物或导电聚合物的均匀分布提供了骨架，可以产生良好的赝电容和双层电容。这些电极比纯碳或纯金属氧化物或聚合物基电极有着更高的电容。这归因于纳米管的缠结垫结构的易接近性，带来的赝电容材料的均匀涂层和三维的电荷分布。锚定赝电容材料的过程通常使用水热法。然而，最近来自特拉华大学的研究员李等人，发现了一种简便易行的方法，可以将二氧化锰沉淀在单壁碳纳米管薄膜上，制成基于有机电解液的超级电容器。[71]
增强碳纳米管电极的另一种方法是用赝电容掺杂剂掺杂，如在锂离子电容器中。在这种情况下，相对较小的锂原子嵌入到碳层之间。[72]阳极由掺锂碳制成，这使得由活性炭制成的阴极负电位更低。从而得到会防止电解液氧化的较大的3.8-4V的电压。截至2007年，它们的电容达到了550F/g，[9]比能达到了14 Wh/kg(50.4 kJ/kg)。[73]
电池型电极
可充电电池电极影响了新的混合型超级电容器电极和锂离子电容器电极的发展。[74]与具有不对称结构中的碳双电层电容一起，提供了比典型的超级电容器更高的比能，且具有更高的比功率，更长的循环寿命以及比电池更快的充电和再充电时间。
不对称电极(赝电容器/双电层电容器)
最近一些不对称的混合超级电容器被开发出来，其中正电极基于真正的赝电容金属氧化物电极(而不是复合电极)，并且负电极基于双电层电容活性炭电极。
这种超级电容器的优点是它们的电压更高，相应地比能也更高(高达10-20Wh/kg (36-72 kJ/kg))。[75]
就目前所知，市场上没有商业提供的具有这种不对称电极的超级电容器。
电解液由溶剂和可溶的化学物质组成，分解后的阳离子和阴离子，使电解液导电。电解液中离子含量越多，电导率越高。在超级电容器中，电解液是两个电极之间的导电连接。此外，在超级电容器中，电解液为亥姆霍兹双电层中分离的单层提供分子，并为赝电容输送离子。
电解液决定电容器的特性：工作电压、温度范围、等效串联内阻和电容。使用相同的活性炭电极，水系电解液可以达到160 F/g的电容值，而有机电解液仅能达到100F/g[76]
电解质必须是化学惰性的，并且不会化学侵蚀电容器中的其他材料，以确保电容器电参数的长期稳定。电解液的粘度必须足够低，以润湿电极的多孔海绵状结构。理想的电解液并不存在，迫使性能和其他需求之间达成妥协。
水溶剂
对于无机化学品来说，水是一种相对较好的溶剂。可以和其一起处理的包括：诸如硫酸(H2SO4)的酸类，诸如氢氧化钾(KOH)的碱，以及季𬭸盐，高氯酸钠(NaClO4)，高氯酸锂(LiClO4)或六氟砷酸锂(LiAsF6)，其中水提供大约100-1000mS/cm的相对高的电导率值 。水系电解质具有每个电极1.15 V的解离电压(2.3V电容器电压)和相对较低的工作温度范围。它们一般用于低比能和高比功率的超级电容器。
有机溶剂
电解液中含有有机溶剂（如：乙腈,碳酸丙烯酯,四氢呋喃,碳酸二乙酯,γ-丁内酯）与季铵盐或烷基铵盐的溶液（如：四乙铵四氟硼酸盐(N(Et)4BF4[77])或三乙基(甲基)四氟硼酸盐(NMe(Et)3BF4)）。这种电解液会比水系电解液更加昂贵。但是它们通常具有每个电极1.35V的较高的解离电压(2.7V电容电压)以及更高的工作温度范围。有机溶剂的电导率较低(10-60mS/cm)会导致较低的比功率，但由于比能是随着电压的平方而增加，因此其比能会更高。
隔膜必须将两个电极物理分隔开，以防止直接接触造成短路。它可以非常薄(百分之几毫米)，并且必须对导电离子非常多孔以使等效串联内阻最小化。此外，隔膜必须是化学惰性的，以保护电解液的稳定性和导电性。便宜的元件使用开放式电容器纸。更尖端的设计会使用无纺多孔聚合物薄膜，例如：聚丙烯腈或聚酰亚胺薄膜 、编织玻璃纤维或多孔编织陶瓷纤维。[78][79]
集电器是用来将电极连接到电容器的端子上的。这些集电器要么喷涂在电极上，要么是一层金属箔。它们必须要能分布高达100A的峰值电流。
如果外壳由金属(通常是铝)制成，集电器应该由相同的材料制成，以避免形成具有腐蚀性的原电池。
商用电容器的电容值被指定为“额定电容CR“。这是该电容器所设计的电容值。实际元件的电容值必须在指定容差的限制范围内。常规情况下的电容值会在一些法[拉](F)的范围内，且会比电解电容器大三到六个数量级数量级。
电容值可以由通过直流电电压 V 的负载电容器所负载的能量 (以焦耳表示)来描述，即：
这个值也被称为“直流电电容”。
测量
传统电容器通常用小的交流电压(0.5V)和100Hz或1kHz的频率来测量，具体取决于电容器的类型。交流电容的测量可以快速提供结果，这对工业生产线是非常重要的。超级电容器的电容值很大程度上依赖于测量的频率，这与其多孔电极结构和有限的电解液的离子迁移率有关。即使在10Hz的低频下，所测得的电容值会从直流电容值的100%下降到20%。
这种超强的频率依赖性是由于离子在电极孔隙间不得不移动不同的距离。离子可以很容易地接近到孔隙开始的区域。离子的短距离迁移伴随着低电阻。同时离子还不得不覆盖更大的距离，这样伴随的电阻就更高。这种现象可以用具有串行电阻-电容时间常数的级联电阻-电容元件的串联电路来描述。这种离子迁移会导致电流延迟，并且如果极性改变，还会减少可被离子覆盖的电极总比表面积，电容也会随着交流电频率的增加而减小。因此，总电容只有在更长的测量时间后才能获得。
由于电容的频率依赖性非常强，因此必须用 IEC 标准62391-1和-2所定义的，特殊的恒流充放电测量方法来测量该电参数。。
该测量方法从给电容器充电开始，即必须在恒流/恒压电源达到额定电压后，再施加电压，且电容器必须充电达到30分钟。接下来，该电容器必须要以恒定的放电电流 Idischarge放电。然后测量电压从额定电压的80%(V1)降至40%(V2)的时间t1和t2。则该电容值计算如下:
放电电流的值由相关的应用所决定。国际电工委员会(IEC)的标准定义了以下四类
各个制造商采用的测量方法主要与标准化方法相当。[80][81]
对于制造商而言，标准化的测量方法太费时，从而无法在每个单独元件的生产过程中使用。对于工业生产的电容器，电容值改为用更快的低频交流电压来测量，并且相关系数可以用于计算额定电容。
这种频率依赖性还会影响电容器的运作。快速的充放电周期意味着既没有有效的额定电容值，也没有有效的比能。在这种情况下，针对每个应用条件需要重新计算额定电容值。
超级电容器是低压元件。安全操作要求电压保持在规定的范围内。额定电压Ur是可以持续施加并保持在指定温度范围内的最大直流电压或峰值脉冲电压。电容器所承受的电压不能够持续超过额定电压。
额定电压需要在一个安全幅度内，以防止会导致电解液分解的电解液击穿电压。击穿电压会将亥姆霍兹双电层中分离的溶剂分子分解，例如：水会分解成氢和氧化物。然后这些溶剂分子无法再彼此分离电子电荷。高于额定电压的电压会导致氢气的形成或造成短路。
标准的带有水系电解质的超级电容器通常额定电压为2.1至2.3 V。含有有机溶剂的电容器为2.5至2.7V.具有掺杂电极的锂离子电容器的额定电压可以达到3.8至4V， 但是具有大约2.2V的电压下限限制。
在额定电压下运行超级电容器，可改善电学参数的长期表现。循环期间的电容值和内阻会更稳定，寿命和充放电循环次数也会得到扩展。[81]
如果需要更高的应用电压，则需要将这些电池进行串联。由于每个元件有着稍许不同的电容值和等效串联内阻，因此有必要主动或被动地平衡它们，以稳定所施加的电压。被动平衡的方式可以使用与超级电容器并联的电阻器。主动平衡的方式则可以使用电子电压管理的方式，控制一个可以改变电流的阈值。
超级电容器的充放电与电解液中的载流子(离子)穿过隔膜到达电极并进入其多孔结构的移动有关。在这一移动过程中产生的损失可以通过内部直流电阻被来测量。
通过在电极孔径中级联的串联电阻-电容元件的电学模型，其内阻会随着载流子渗透进入孔径中的深度的增加而增加。内部直流电阻与时间相关，并且在充放电过程中会增加。在实践应用中，通常只有开启和关闭范围是需要关注的。内阻Ri可以从放电电流常量Idischarge开始，通过放电时的压降δV2计算出来，。它是从直线部分延伸的辅助线和放电开始时的时间基准的交点获得的(见右图)。电阻可以通过以下方式计算:
内部电阻测量的放电电流常量ⅰdischarge可以从IEC 62391-1的分类中获得。
这种内部直流电阻Ri不应与通常为电容器指定的内部交流电阻(称为等效串联电阻))混淆。它测量的频率为1kHz。等效串联内阻比直流电阻小得多。等效串联内阻与计算超导体励磁涌流或其他峰值电流无关。
Ri的值可以决定超级电容器的几种特性。它限制了充放电的峰值电流以及充放电的时间。Ri和电容C可以结合时间常量 计算出来：
该时间常量决定了充放电的时间。例如，一个内阻为30mω的100F的电容器，时间常量为0.03 • 100 = 3秒.在用仅受内阻限制的电流充电3秒后，该电容器具有63.2%的满电荷(或放电至36.8%的满电荷)。
具有恒定内阻的标准电容器能够在大约 5τ 的时间内充到满电荷。由于随着充放电时内阻会增加，实际的时间不能用该公式计算。因此，充放电时间取决于具体的各个结构的细节。
因为超级电容器的运行不需要形成化学键，所以电流负载，包括充电、放电和峰值电流不受电容器中反应的限制。且其电流负载和循环稳定性可能比可充电电池高得多。该电流负载仅受到内阻的限制，且该内阻可能大大低于电池的内阻。
内阻Ri和充放电电流或峰值电流“I”产生内热损失Ploss，根据:
这些热量必须释放并分配到周围环境中，以保持运行温度低于规定的最高温度。
由于电解液的扩散，热量通常能够决定电容器的寿命。在最高的环境温度下， 电流负载产生的热量应该要小于5到10K (对预期寿命只有很小的影响)。因此，由内阻决定了频繁循环的特定的充放电电流。
在最大条件下的，指定的周期参数包括充电和放电电流、脉冲持续时间和频率。它们是被指定在规定的温度范围内，并在整个电压范围内保持规定的寿命。根据电极孔隙率、孔径和电解液的组合，它们可能有很大的差异。通常，较低的电流负载会延长电容器寿命并增加循环次数。这可以通过更低的电压范围或更慢的充放电来实现。[81]
超级电容器(除了那些具有聚合物电极的电容器)可以潜在地支持超过一百万次的充放电循环，且不会导致明显的容量下降或内阻增高。在较高的电流负载下运作，是超级电容器相对于电池的第二大优势。稳定性源于双静电和电化学的存储原理。
通过降低频率或单脉冲，可以显著的提升规定的充放电电流。单个脉冲产生的热量可以在下一个脉冲出现时间之内扩散出去，从而确保平均热量的增加相对较小。这种“峰值电力电流”，用于超过1000F的超级电容器的电力应用，可以提供大约1000A的最大峰值电流.[82]这种高电流产生高热应力和高电磁力，可能损坏电极-集电器连接，从而需要稳健的电容器设计和构造。
电容初始电阻和稳态电阻等器件参数不是常量，而是可变的，并依赖于器件的工作电压。随着工作电压的增加，器件电容会有着可测量的增加。例如:一个100F的器件在其整个工作电压范围内，最大电容会变化26%。对于稳态电阻(Rss)和初始电阻(Ri)也一样类似的依赖于工作电压。[83]
器件的特性也可以被视为依赖于器件温度。当器件的温度随着控制环境温度的改变而改变时，电容和电阻等内部特性也会改变。器件的电容也会随着工作温度的升高而增加。[83]
超级电容器位于高功率/低能量电解电容器和低功耗/高能量的可充电电池之间。其中存储在电容器中的能量Wmax(以焦耳表示)可以由以下公式算出
这个公式描述了存储的能量的多少，并且还通常用于描述新的研究成果。然而，只有部分存储的能量可以被使用，这是因为内阻上的压降和时间常量意味着一些存储的电荷是不可访问的。其中有效的可使用的量Weff会随着所使用的Vmax 和 Vmin 之间的电压差而下降，并可以表示为:[84]
该公式还可用于表示能量不对称的电压元件，如锂离子电容器。
电容器中每单位质量可存储的能量称为比能。比能可以在每公斤瓦特小时(Wh/kg)的单位中通过每单位质量进行测量。
电容器中每单位体积可存储的能量称为能量密度。能量密度可以在每公升瓦特小时(Wh/l)的单位中通过每单位体积进行测量。
截至2013年，商业比能的范围从大约0.5到15 Wh/kg。相比之下，铝电解电容器通常比能为0.01至0.3 Wh/kg，而传统的铅酸蓄电池通常为30至40 Wh/kg，以及现代的锂离子电池为100到265 Wh/kg。由此，超级电容器可以存储比电解电容器多10至100倍的能量，但只有电池的十分之一。作为参考，汽油燃料的比能为44.4 MJ/kg或12300 Wh/kg。(在车辆运动中，考虑到30%的内燃发动机的能量转换效率，实际比能约为3700 Wh/kg)。
商用的能量密度(在一些文献中也称为体积比能)会变化很大，但一般在5到8Wh/l之间。其中单位公升和dm3可以互换使用。相比之下，汽油燃料的能量密度为32.4MJ/l (9000Wh/l)。
虽然超级电容器的比能与电池相比是不足的，但电容器具有比功率的重要优势。比功率描述了能量传递到负载或是从负载吸收能量的速度。该最大功率由以下公式算出:[84]
其中V 为施加的电压，Ri为电容器的内部直流电阻。
比功率可以通过以千瓦/千克(kW/kg)为单位，每单位重量的进行测量，或者以千瓦/升(kW/l，功率密度)为单位，每单位体积的进行测量。
所描述的最大功率Pmax，为给定电压下的理论矩形中单个最大电流峰值的功率。在实际电路中，该电流峰值不是矩形的，且由于压降的原因，电压更小。IEC 62391–2标准，建立了电力应用的超级电容器中，更真实的有效功率Peff：
超级电容器的比功率通常是电池的10到100倍，且最高可达15 kW/kg。
拉贡图可以将能量与功率联系起来，是表征和可视化储能元件的一个有价值的工具。有了这样的图表，通过不同存储技术的比功率和比能的位置就很容易可以进行比较，见图表。[85][86]
由于超级电容器不依赖于电极的化学变化(聚合物电极除外)，电容器寿命主要取决于液体电解质的蒸发速率。这种蒸发通常是与温度、电流负载、电流周期频率和电压相关的函数。电流负载和循环频率会产生内热，因此决定蒸发的温度是环境热量和内部热量的总和。该温度可以作为电容器主体中心的核心温度来测量。核心温度越高，蒸发越快，电容器的寿命也就越短。
蒸发通常会导致电容降低和内阻增加。根据国际电工委员会/欧洲标准(IEC/EN) 62391-2，电容降低超过30%或内阻超过其规格数值的四倍，则被视为“耗损失效”，这意味着该元件已经达到使用寿命的终点。电容器是可操作的，但容量降低。这种参数的异常要么对应有的功能有一些影响或者不依赖于该电容器的应用。
IEC/EN 62391-2中规定的电参数的如此大的变化，对于大电流负载的应用而言，通常是不可接受的。支持高电流负载的元件使用小得多的限制，例如20%的电容损耗或两倍的内阻。[87]较窄的参数定义对于这种应用很重要，因为热量会随着内阻的增加而线性增加，且不应超过最高温度。高于规定的温度会损坏电容器。
超级电容器的实际应用寿命，也称为“使用寿命”、“预期寿命”或“负载寿命”，在室温条件下可以达到10至15年或更长。制造商无法测试如此长的周期。因此，它们规定了最高温度和电压条件下的预期电容器寿命。数据手册中使用符号“测试时间(小时)/最大温度(摄氏度)”来指定结果，如"5000h/65 °C " 。利用该值和从历史数据导出的表达式，可以预估出较低温度条件下的电容器寿命。
制造商使用一种称为“耐久性试验”的加速老化试来测试数据表寿命规格，该测试在指定时间内的最高温度和电压下进行。对于该测试期间的“零缺陷”产品政策，不会出现损耗或完全失效。
数据表中的寿命规格可用于预估给定设计的预期寿命。用于非固体电解液的电解电容器的“10度规则”可以用于这些估算，并还可用于超级电容器。这条规则采用了阿伦尼乌斯方程，这是一个温度与其反应速率相关的简单公式。工作温度每降低10 °C，预计寿命加倍。
其中
使用此公式计算，在65°C温度下，寿命为5000小时的电容器，估计寿命在45 °C温度下为20000小时。
电容器寿命也取决于工作电压，因为液体电解质中气体的产生取决于电压。电压越低，产生的气体越小，并且寿命越长。没有通用公式能将电压与寿命联系起来。图中所示的电压相关的曲线是一家制造商的实证结果。
电力应用的预期寿命也可能受到当前负载或循环次数的限制。该限制必须由相关制造商指定，且与电容器类型密切相关。
在双电层中存储电能会将孔隙中的载流子在分子范围内根据距离分隔开。在这个短距离内，可能会出现不规则的情况，导致载流子的少量交换和逐渐放电。这种自放电被称为漏电流。泄漏情况取决于电容、电压、温度和电极/电解液组合的化学稳定性。在室温环境下，泄漏会非常低，以至于被描述成自放电的时间。超级电容器的自放电时间以小时、天或周为单位。例如，5.5 V/F的松下“GoldCap”双电池电容器在20°C环境下，电压会在600个小时内(25天或3.6周)，从5.5V下降到3V。[88]
在双电层电容经历充电或放电之后，电压将随时间产生偏移，向其先前的电压水平松弛。可以观察到的松弛现象可以在几个小时内发生，这可能是由于双电层电容内多孔电极的较长的扩散时间常数。[83]
由于对称的超级电容器的正电极和负电极由相同的材料组成，所以理论上超级电容器没有真正的极性，灾难性失效的情况通常不会发生。然而，对超级电容器进行反向充电会降低其容量，因此建议在生产过程中保持由电极形成所产生的极性。不对称的超级电容器本质上则是极性的。
具有电化学电荷特性的赝电容器和混合超级电容器不能以相反的极性运行，这排除了它们在交流运行中的使用。然而，这一限制不适用于双电层电容的超级电容器
绝缘套管中的一个条识别可以标识极化元件中的负端子。
在一些文献中，术语“阳极”和“阴极”用来代替正电极和负电极。使用阳极和阴极来描述超级电容器(还包括锂离子电池在内的可充电电池)中的电极可能会引起混淆，因为极性是根据元件是被视为发电机还是电流消耗者而变化。在电化学中，阴极和阳极分别与还原和氧化反应有关。然而，在基于双电层电容的超级电容器中，两个电极中的任何一个都没有氧化和/或还原反应。因此，阴极和阳极的概念不适用。
广泛的可用的电极和电解液产生了一系列的适合不同应用的各种元件。随着低欧姆电解液系统的发展，与具有高赝电容的电极相结合，能够实现更多的技术解决方案。
下表显示了不同制造商的电容器在电容范围、电池电压、内阻(等效串联内阻、直流或交流值)以及体积比能和重量比能方面的差异。
在表中，等效串联内阻参考的是各制造商电容值最大的元件。大致上，他们把超级电容器分成两组。第一组参照的是约20毫欧的较大等效串联内阻值和0.1至470F的相对较小的电容值。这些是用于存储器备份或类似应用的“双电层电容器”。第二组参考的是100到10000F的电容值和大幅低于1毫欧等效串联内阻值。这些元件适合于电力应用。Pandolfo和Hollenkamp提供了不同制造商的一些超级电容器系列与各种结构特征的关联性。[32]
在商用双电层电容器中，或者更具体地说，在主要通过双电层电容实现能量存储的双电层电容器中，通过在导电电极的表面上形成电解液离子的双电层来存储能量。由于双电层电容器不受电池的电化学电荷转移动力学的限制，它们可以以更高的速率充电和放电，且寿命超过一百万次循环。双电层电容器的能量密度由工作电压和电极/电解液系统的比电容(法拉/克或法拉/立方厘米)所决定。比电容与电解液易接近的比表面积、接触面的双电层电容和电极材料密度有关。
商用双电层电容器是基于两个浸渍在电解液中的对称电极，该电解液包含有机溶剂中的四乙铵四氟硼酸盐。目前含有有机电解液的双电层电容器的工作电压为2.7V 并达到约5-8Wh/kg和7-10Wh/l的能量密度。其中比电容与电解液易接近的比表面积、接触面的双电层电容和电极材料密度有关。具有介孔隔离材料的基于石墨烯的血小板是一种可以提高电解液比表面积的结构。[89]
超级电容器的变化很大，且很少可以互换，特别是那些具有较高比能的超级电容器。应用范围可以从低峰值电流到高峰值电流，且都需要标准化的测试协议。[90]
通用规范中规定了测试规范和参数需求
该标准根据放电电流水平定义了四种应用类别:
另外三个标准描述了特殊应用:
超级电容器不支持交流电应用。
超级电容器在以下应用中具有优势:在相对较短的时间内需要大量功率，需要非常多的充放电周期或更长的使用寿命。典型的应用范围从几分钟的毫安电流或毫瓦特功率到特别短时间内的几安培电流或几百千瓦功率。
超级电容器在时间t内传送恒定电流，可以通过以下公式计算:
其中电容器电压从Ucharge降低到Umin。
如果相应应用需要在某个时间t达到恒定的功率P，可以通过以下公式计算:
其中电容器电压也从Ucharge降低到Umin。
电子消费品
在波动负载的应用中，诸如：笔记本电脑、掌上电脑、全球定位系统、便携式多媒体播放器、手持设备，[91]和光伏系统，超级电容器可以稳定电源的供应。
超级电容器为数码相机中的摄影闪光灯和可以在超短时间(例如90秒)内充电的发光二极管手电筒提供电力。[92]
一些便携式扬声器也由超级电容器供电。[93]
工具
带有用于储能的超级电容器的无绳电动螺丝刀的运行时间约为同类电池的一半，但其可以在90秒内充满电。闲置三个月后，仍能保留85%的电荷。[94]
电网电力缓冲器
许多非线性负载，诸如：电动车充电器、混合动力电动车、空调系统和高级电源转换系统，会导致电流波动和谐波。[95][96]这些电流差异会产生不必要的电压波动，从而导致电网上的功率振荡。[95]功率振荡不仅会降低电网效率，还会导致公共耦合总线中的压降，以及相当大的频率波动会贯穿整个系统。为了克服这个问题，超级电容器可以做为负载和电网之间的接口，以充当电网和从充电站汲取的高脉冲功率之间的缓冲器。[97][98]
低功耗设备电源缓冲器
超级电容器为低功耗设备(如随机存取存储器、静态随机存取存储器、微控制器和PC卡)提供备用或紧急关闭电源。它们是低能耗应用的唯一电源，例如自动抄表（AMR）设备或工业电子设备中的事件通知。
超级电容器缓冲进出可充电电池的电源，可以减轻短时电源中断和高电流峰值的影响。电池仅在电源长时间中断时(例如：输电网或燃料电池出现故障)才会启动，这样可以延长电池寿命。
不间断电源 (UPS)可以由超级电容器供电，超级电容器可以取代更大的电解电容器组。这种组合降低了每个周期的成本，节省了更换和维护成本，能够缩小电池尺寸并延长电池使用寿命。[100][101][102]
超级电容器为风力涡轮机变桨系统中的致动器提供备用电源，以便即使主电源出现故障也可以调整叶片桨距。[103]
稳压器
超级电容器可以通过充当阻尼器来稳定电力线的电压波动。风能和光伏系统展示出超级电容器可以在几毫秒内缓冲由阵风或云引起的波动传输。此外，与电解电容器类似，超级电容器也沿电力线放置，以消耗无功功率并提高主导电源流电路中的交流电源因素。这将允许更好地利用实际功率来发电，并使电网整体效率更高。[104][105][106][107]
微型网格
微型电网通常由清洁的和可再生的能源提供动力。然而，大部分这种能量的产生并不是全天恒定的，并且通常也不符合实际需求。超级电容器可用于微型电网存储，其在需求高时可以瞬间注入电力并暂时调低相关作业，并且在相反的条件下时可以存储能量。在这种情况下，超级电容器非常有用，因为微型电网越来越多地产生直流电，而电容器则可以用于直流电和交流电的应用。超级电容器与化学电池配合使用效果最佳。它们提供即时电压缓冲，以补偿由于主动控制系统的高充放电速率而快速变化的电力负载。[108]一旦电压得以缓冲，它就通过逆变器向电网提供交流电。值得注意的是，超级电容器不能直接在交流电网中以这种形式提供频率校正。[109][110]
能量收集
超级电容器是适合能量收集系统的临时能量存储装置。在能量收集系统中，能量从环境或可再生资源中收集，例如机械运动、光能或电磁场，并在储能装置中转换成电能。例如，已经证明从射频(使用射频天线作为合适的整流电路)收集的能量可以存储到可印刷的超级电容器中。然后，这些收集的能量可为专业集成电路供电超过了10小时。[111]
掺入电池
超级蓄电池是一种混合可充电式铅酸蓄电池和超级电容器。其电池结构包含标准铅酸蓄电池正电极，标准硫酸电解液和专门制备的以双电层电容储能的碳基负电极。超级电容器电极的存在改变了电池的化学性质，并在高倍率部分充电状态下使用时能够显著的防止硫酸化，使用这种方式是阀控式铅酸蓄电池的典型故障模式。所得电池具有超出铅酸蓄电池或超级电容器的特性，充放电速率、循环使用寿命、效率和性能都得到了提高。
路灯
位于日本新潟县的佐渡市，有将独立电源与与太阳能电池和LED相结合的路灯。其中超级电容器能够存储太阳能，并向2个LED灯供电，且能提供15W的夜间功耗。这种超级电容器可以使用10年以上，并在各种天气条件下(包括从+40至-20°C以下的温度环境下)提供稳定的性能，.[112]
医学的
超级电容器可以用于除颤器，它们可以通过传递500焦耳的电能，使心脏休克从而恢复到窦性心律。[113]
航空
2005年，Diehl航空公司选择使用超级电容器为客机中使用的门和疏散滑梯的紧急致动器供电，其中包括空客380 。[103]
军用
超级电容器的低内阻的特性可以支持那些需要短期高电流的应用。最早的用途是用于坦克和潜艇中的大型发动机的电机起动(发动机冷起动，特别是柴油发动机)。[114]其中超级电容器可以做为电池的缓冲，处理短时电流峰值，从而减少充放电循环并延长电池使用寿命。
还有其他需要较高比功率的军事应用会使用超级电容器，例如：相控阵雷达天线、激光器电源、军用无线电通信、航空电子显示器及其仪器仪表、安全气囊打开的备用电源以及全球定位系统制导导弹和射弹。[115][116]
汽车的
丰田 Yaris Hybrid-R概念车中使用超级电容器来提供动力爆发。标致雪铁龙已经开始使用超级电容器，作为其启停节油系统的一部分，从而实现更快的初始加速。[117]马自达公司的i-ELOOP系统在减速期间将能量存储到一个超级电容器中，并在发动机因启停控制系统停止工作时，使用该超级电容器为车载电力系统供电。
公共汽车/电车
美国的超级电容器制造商麦斯威尔科技(MXWL)声称，已经有超过20000辆的混合动力公交车使用这些超级电容器设备来提高加速度，尤其是在中国。2014年，中国广州开始使用由超级电容器驱动的有轨电车，这种超级电容器可以通过位于轨道之间的设备，在30秒钟内完成充电。其存储的电力可以让电车运行长达4公里，这完全足够到达下一站并重复进行充电。[117]
所有交通运输的主要挑战是降低能耗和减少二氧化碳的排放。制动能量的回收(或再生)对两者都有帮助。这需要能够长时间的以高循环速率快速存储和释放能量的元件。超级电容器能满足这些需求，因此各种交通运输中有许多应用使用超级电容器。
铁路
超级电容器可用于通过柴电传动补充柴油铁路机车中起动机系统的电池。这些电容器能够捕获完全停止时的制动能量，并输送峰值电流用以启动柴油发动机和加速列车，同时确保线电压的稳定。根据驾驶模式，通过制动能量的回收，可节省高达30%的能量。低维护成本且环保的材料促进了超级电容器的选择和使用。[118][119]
起重机、叉车和拖拉机
移动式柴电混合动力橡胶轮胎门式起重机可以在码头内移动和堆放集装箱。集装箱的提升需要大量的能量。在负载降低时，一些能量可以被回收，从而提高效率。[120]
三重混合动力叉车使用燃料电池和电池组作为主要存储，并使用超级电容器通过存储制动能量来缓冲动力峰值。它们为叉车提供超过30kW的峰值功率。与柴油发动机或燃料电池系统相比，三重混合动力系统节能50%以上。[121]
基于超级电容器供电的码头牵引车可以将集装箱运输到仓库。它们为柴油码头牵引车提供了一种经济、安静和无污染的替代品。[122]
轻轨和电车
超级电容器不仅可以降低能耗，还可以取代城区中架空线路，从而保留着城市建筑学遗产。这种方法可能会让大量的新的城市轻轨线路取代因太贵而无法完全覆盖路线的架空线路。
2003年，曼海姆采用了一种原型轻轨车(LRV)，该车辆使用了来自庞巴迪运输公司的 MITRAC 节能系统，其通过顶部安装的超级电容器部件来存储机械制动能量。[123][124]它包含有多个部件，每个部件由192个2700F/2.7V的电容器在三条平行线上互连而成。该电路形成一个518V的且能量含量为1.5 kWh的设备。为了支持启动时的加速度，该“车载系统”，可以提供轻轨车600 kW的功率，且在没有架空线路支持的环境下，可以驾驶该车达到1 公里，由此可以更好地将轻轨车融入到城市环境当中。与将能量返回到电网的传统轻轨车或地铁车辆相比，车载储能可节省高达30%的电能，并将电网峰值需求降低高达50%。[125]
2009年，超级电容器使轻轨车能够在海德堡的历史城区运行，且无需架空线路，从而保留了该城市的建筑学遗产。这种超级电容器设备需要每辆车额外花费270000欧元，该成本预计将在运行后15年回收回来。当车辆在规划的停车点时，这些超级电容器会在停车站进行充电。2011年4月，负责海德堡的德国区域运输运营商莱茵-内卡河(Rhein-Neckar)又订购了11台。[126]
2009年，阿尔斯通公司和 巴黎公共运输公司 为一辆 Citadis 电车配备了一个名为“STEEM”的实验性能量回收系统。[127]该系统配有48个顶置式超级电容器来存储制动能量，为电车提供高水平的能源自主性，使其能够在部分路线上无需架空电力线路运行，并可在电动停车站上行驶时充电。在巴黎有轨电车网络T3线上的意大利门(Porte d’Italie)站和乔伊斯门(Porte de Choisy)站之间的测试中，这种有轨电车组少用了平均大约16%的能耗。[128]
2012年，有轨电车运营商日内瓦公共交通公司开始测试一种轻轨车，该车装备了顶置式超级电容器原型部件，以回收制动能量。[129]
西门子正在提供增强型超级电容器的轻轨运输系统，其中包括可移动的能量存储设备。[130]
香港南岛地铁线将配备两条2MW的储能装置，预计可降低10%的能耗。[131]
2012年8月，中国南车株洲电力机车公司推出了配备顶置式超级电容器部件的双车轻型地铁列车的原型。该列车可以在没有电线的情况下上行驶达到2公里，并通过地面安装的设备在30秒内完成充电。 该供应商声称这些列车可以在中国100个中小城市中使用。[132]由超级电容器供电的七辆有轨电车计划于2014年在中国广州投入运营。这些超级电容器通过位于轨道之间的设备在30秒内完成充电，并支持电车运行高达4公里(2.5英里)。[133]截至2017年，株洲的超级电容器汽车也被用于新的南京有轨电车系统，并正在武汉进行试运行。[134]
2012年，在法国里昂， 里昂公共交通管理局开始试验西安道齐(Adetel)公司建造的“路边再生”系统。该公司还为轻轨车辆、轻轨交通和地铁，开发了名为“NeoGreen”的节能器。[135]
2015年，西安道齐(Adetel)公司发布了一种名为SRS的储能系统，该系统通过位于有轨电车站台的地面导电轨为电车上的超级电容器充电。这使得电车可以在没有架空线路的情况下短距离运行。[136]该系统被吹捧为可以替代该公司的地面电源(APS)系统，或者可以与它结合使用，例如：巴西里约热内卢的VLT网络，其从2016年开始运行。[137]
公共汽车
欧洲第一辆带有超级电容器的混合动力公共汽车于2001年出现在德国纽伦堡，它是来自于MAN公司的“Ultracapbus”，并在2001/2002年进行了实际运行测试。进行测试的车辆配备了与超级电容器组合的柴电驱动装置。该系统配有8个80V的Ultracap模块，其中每一个包含36个组件。该系统工作电压为640V且可以在400A下充放电。其能量含量为0.4 kWh，重量为400kg。
这些超级电容器重新捕捉制动能量并输送为启动能量。与传统柴油发动机车辆相比，油耗降低了10%至15%。其他优势包括减少了二氧化碳的排放、安静且无排放的发动机启动、更低的振动和更低的维护成本。[138][139]
截至2002年，在瑞士卢塞恩，一支名为TOHYCO-Rider的电动公交车队进行了测试。超级电容器可以在每个运输周期后，通过感应非接触式高速充电器，在3至4分钟内完成充电。[140]
2005年初，上海测试了一种名为“capabus ”的新型电动公交车。它可以在没有电力线的情况下运行(无接触网运行)，其使用大型车载超级电容器，每当巴士停在站台，超级电容器都会部分充电(在所谓的电动充电伞下)，而在终点站则可完全充电。2006年，两条商业公交线路开始使用这种Capabus公交车，其中之一是上海的11路公交线路。据估计，超级电容器公共汽车比锂离子电池公共汽车更便宜，其中一辆公共汽车的能耗成本是柴油公共汽车的十分之一，可以在使用寿命内节省燃料20万美元。[141]
2008年，威尔士格拉摩根大学推出了一款名为“ tribrid ”的混合动力电动车，用作学生交通工具。它由氢燃料或太阳能电池、蓄电池和超级电容器供电。[142][143]
赛车
国际汽车联合会 是一个赛车活动的管理机构，在2007年5月23日的一级方程式动力总成规则框架的1.3版本中，提出了一套新的动力总成规则，其中包括一个使用由电池和超级电容器并联而成的“超级电池”，与输入/输出功率高达200kW的混合动力传动系统(动能回收系统 )。[144][145]使用动能回收系统后，从燃油泵到车轮的效率可以达到大约20%。
丰田TS030 Hybrid LMP1是根据勒芒原型规则开发的赛车，使用了这种带有超级电容器的混合动力传动系统。[146][147]在2012年的勒芒24小时耐力赛中，TS030获得参赛资格的最快圈速仅比最快的车慢1.055秒 (3:24.842比3:23.787)[148]，那辆最快的车是一辆使用飞轮能量存储的奥迪R18 e-tron quattro。这种具有快速充放电能力的超级电容器和飞轮部件，有助于车辆制动和加速，使得奥迪和丰田混合动力车成为比赛中最快的车。在2012年勒芒比赛中，两台具有竞争实力的TS030中的一台在部分比赛中处于领先地位，最终它们都因与超级电容器无关的原因而退役。TS030赢得了2012年国际汽联世界耐力锦标赛季8场比赛中的3场。2014年，丰田TS040混合动力车使用超级电容器通过两台电动机增加了480马力。[133]
混合动力电动汽车
电动汽车和混合动力电动汽车中的超级电容器和电池的组合使用得到了深入的研究。[90][149][150]通过电动汽车或混合动力电动汽车中的制动能量的回收，已经声称能够减少20%至60%的燃料消耗。超级电容器的诸多能力都很适合这种汽车，例如：比电池充电快得多、稳定的电性能、更宽的温度范围和更长的使用寿命。但是它们的重量、体积，尤其是成本都不是优势。
超级电容器的比能较低，因此不适合用作长距离驾驶的独立能源。[151]电容器和电池解决方案之间的燃油经济性提升约为20%，但仅适用于较短的行程。对于长距离驾驶，这个优势降低到6%。电容器和电池组合使用的车辆仅在实验车辆中运行。[152]
截至2013年，所有电动汽车或混合动力电动汽车的制造商都已经开发出使用超级电容器替代电池来存储制动能量的原型，以提高传动系效率。 马自达6是唯一一款使用超级电容器来回收制动能量的量产车。i-ELOOP等名牌声称，其再生制动可降低约10%的燃油消耗。[153]
俄罗斯的 Yo-cars Ё-mobile 系列是一款概念型交叉混合动力车，其通过采用汽油驱动旋片和发电机驱动牵引电机来工作。其中相对低电容的超级电容器，可以帮助车辆在从停止状态加速时，回收其中制动能量并传给电动机供电。[154]
丰田的 Yaris Hybrid-R概念车使用超级电容器来提供快速的动力爆发。[133]
标致雪铁龙在他们的一些汽车上安装超级电容器，以作为启停节油系统的一部分。这样可以在交通灯变绿时加快启动速度。[133]
空中缆车
在奥地利滨湖采尔，空中缆车将这座城市与施密登赫山连接起来。这个缆车有时一天24小时运行，使用电能来照明、开门和通信。车站唯一可以给电池充电的时间是客人装卸的短暂时间，这段时间太短而无法给电池充电。超级电容器就可以提供了比电池充电更快、充放电循环的次数更多、使用寿命也更长。
阿联酋航空空中缆车也被称为泰晤士缆车，全长1公里(0.62英里)，是从格林威治半岛到皇家码头，并穿过泰晤士河的缆车线路。缆车舱通过超级电容器供电，配有现代信息娱乐系统。[155][156]
截至2013年，商用的锂离子超级电容器提供了迄今为止最高的重量比能，即15Wh/kg(54kJ/kg)。其研究的重点是提高比能，降低内阻，扩大温度范围，延长使用寿命和降低成本。[20]相应的研究项目包括定制孔径电极、赝电容涂层或掺杂材料以及改进的电解液。
| 发展 | 日期 | 比能 | 比功率 | 充放电周期数 | 电容 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 通过挥发性液体的毛细管压缩来压缩石墨烯片[2] | 2013 | 60 Wh/L | 亚纳米大小的电解液整合成了连续的离子传输网络。 | |||
| 垂直排列的碳纳米管电极[3][4] | 2007 2009 2013 |
13.50 Wh/kg | 37.12 W/g | 30万 | 首次实现[5] | |
| 曲面石墨烯片[6][7] | 2010 | 85.6 Wh/kg | 550 F/g | 单层弯曲的石墨烯片不会面对面重新层叠，在高达4V的电压下，其形成中孔容易被环境友好的离子电解液接近和润湿。 | ||
| 氢氧化钾重组的氧化石墨[8][9] | 2011 | 85 Wh/kg | > 10000 | 200 F/g | 氢氧化钾重组碳，形成三维多孔网络 | |
| 具有大孔和中孔的基于活性石墨烯的碳作为超级电容器电极[10] | 2013 | 74 Wh/kg | 石墨烯衍生碳的三维多孔结构，其中中孔整合到大孔支架中，比表面积为3290 m2/g | |||
| 共轭微孔聚合物[11][12] | 2011 | 53 Wh/kg | 10000 | 氮杂稠环π共轭微孔框架 | ||
| 单壁碳纳米管复合电极[13] | 2011 | 990 W/kg | 定制的中孔-大孔结构容纳更多电解液，确保离子的便捷传输 | |||
| 碳纳米管复合电极上的氢氧化镍纳米薄片[14] | 2012 | 50.6 Wh/kg | 3300 F/g | 使用氢氧化镍/碳纳米管/纳米薄片的电极作为阳极与活性炭阴极组合成的非对称超级电容器，实现1.8 V的电池电压 | ||
| 电池电极纳米混合物[15] | 2012 | 40 Wh/l | 7.5 W/l | 10000 | Li4Ti5O12(LTO)沉积在碳纳米纤维(CNF)阳极和活化炭阴极上 | |
| 沉积在中孔炭气凝胶上的钴酸镍[16] | 2012 | 53 Wh/kg | 2.25 W/kg | 1700 F/g | 钴酸镍，一种低成本且环境友好的超级电容材料 | |
| 二氧化锰插层纳米薄片[17] | 2013 | 110 Wh/kg | 1000 F/g | 湿电化学过程将钠(+)离子嵌入到二氧化锰夹层中。纳米薄片电极表现出更快的离子扩散和增强的氧化还原峰。 | ||
| 三维多孔石墨烯电极[18] | 2013 | 98 Wh/kg | 231 F/g | 皱纹单层石墨烯片，大小为几纳米，且至少有一些共价键。 | ||
| 用于芯片上能量存储的石墨烯基平面微型超级电容器[19] | 2013 | 2.42 Wh/l | 芯片上的线路滤波 | |||
| 纳米片电容器[20][21] | 2014 | 27.5 μF cm−2 | 电极:Ru0.95O20.2-电介质:Ca2Nb3O10-。基于室温解决方案的制造工艺。总厚度小于30nm。 | |||
| 激光刻划石墨烯/二氧化锰[22] | 2015 | 42 Wh/l | 10 Wh/l | 10000 | 三维激光刻划石墨烯(LSG)结构的导电性、孔隙率和比表面积。电极约15微米厚。 | |
| 激光诱导石墨烯/固态电解液[23][24] | 2015 | 0.02mA/cm2 | 9mF/cm2 | 能经住反复弯曲。 | ||
| 被过渡金属硫族化合物(二硫化钨(WS2))外壳二维包裹着的三氧化钨(WO3)纳米线[25][26] | 2016 | ~100 Wh/l | 1 Wh/l | 30000 | 二维壳围绕着的纳米线 |
电极材料的研究需要测量单个元件，如电极或半电池。[177]通过使用不影响测量的反电极，可以揭示只关注的电极的特性。真正超级电容器的比能和功率大约只有电极密度的1/3。
截至2016年,超级电容器的全球销售额约为4亿美元。[178]
电池市场(由Frost&Sullivan估计)从475亿美元(76.4%或其中363亿美元属于可充电电池)增长到950亿美元。[179]超级电容器市场仍然是一个小型利基市场，无法与其较大的竞争对手保持同步。
2016年，IDTechEx预测2026年的销售额将从2.4亿美元增长到的20亿美元，年增长率约为24%。[180]
2006年超级电容器的成本为每法拉 0.01美元或每千焦耳2.85美元，2008年低于每法拉 0.01美元，预计中期将进一步下降。[181]
电容器等电子元件的特殊之处在于，用于超级电容器的多种不同的商品或系列名称，例如：APowerCap、BestCap、BoostCap、CAP-XX、C-SECH、DLCAP、EneCapTen、EVerCAP、DynaCap、Faradcap、GreenCap、Goldcap、HY-CAP、Kapton capacitor、Super capacitor、SuperCap、PAS Capacitor、PowerStor、PseudoCap、Ultracapacitor ，这使得用户很难对这些电容器进行分类。
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