在電路中，電容器常常用于儲(chǔ)存少量電能，但還尚未應(yīng)用于大容量?jī)?chǔ)存電能。來(lái)自日本的研究人員發(fā)現(xiàn)，電阻和電容的合理結(jié)合能滿足儲(chǔ)能的兩個(gè)基本要素：快速充電和長(zhǎng)時(shí)間放電。在電路中使用電容器作為儲(chǔ)能器件未來(lái)將在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如混合動(dòng)力汽車、備用電源以及替代能源存儲(chǔ)器件。

來(lái)自日本東北大學(xué)的Mikio Fukuhara，Tomoyuki Kuroda和Fumihiko Hasegawa教授將他們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究成果發(fā)表在了最新一期的Applied Physics Letters雜志上。

▲ 圖片說(shuō)明：（a）和（b）是電阻器-電容器組合的充電/放電曲線；（c）是完全充放電過(guò)程的三維漏斗型表面曲線。圖片來(lái)源：Fukuhara, et al.?2014 AIP Publishing LLC

尋找高效的電能儲(chǔ)存方法一直是研究的熱點(diǎn)，不考慮電路時(shí)，人們將研究重點(diǎn)放在電池、燃料電池和雙電層電容器（electric double-layer capacitors，EDLCs）上。目前，還沒(méi)有研究表明電容器或超級(jí)電容器可以作為電路中的儲(chǔ)能設(shè)備。

為了探索電路中應(yīng)用電容器儲(chǔ)能的可能性，科研人員研究了126組電阻-電容（RC）組合的充放電行為，其中包括18個(gè)電阻器、3個(gè)陶瓷電容器和4個(gè)鋁質(zhì)電解電容器。研究表明在RC組合中，包含一個(gè)小的電阻器、一個(gè)大的電阻器和一個(gè)大的電容器的組合形式具有最好的充放電性能。有的電路可以在20s內(nèi)充電完成，且電量可保持超過(guò)40分鐘，電容可達(dá)100毫法（mF）。

▲ 圖片說(shuō)明：在電路中實(shí)現(xiàn)快速儲(chǔ)存大量電荷并控制其長(zhǎng)期緩慢放電的步驟：（a）關(guān)閉開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4使得電容器（C）快速充電；（b）打開(kāi)開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4，使得電容器儲(chǔ)存電荷；（c）關(guān)合S2和S4閉合輸出電路，使得電容器（C）開(kāi)始緩慢放電，并利用一個(gè)可變電阻控制放電過(guò)程。圖片來(lái)源：?2014 AIP Publishing LLC

Fukuhara表示：“本項(xiàng)工作最大的意義就是發(fā)現(xiàn)了一種在電路中能夠快速充電和緩慢放電的RC組合形式。這一系統(tǒng)將成為未來(lái)存儲(chǔ)大容量電能的一種重要方法。基于此用途，用于存儲(chǔ)電能的電容器將由一種電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N物理裝置?！?/p>

研究人員將電路的快速充電和緩慢放電歸因于大電阻的堰塞效應(yīng)。他們認(rèn)為電阻和超級(jí)電容器電容的關(guān)系類似于水箱中塞子大小和存水量的關(guān)系。塞子（電阻）越大，水箱中可以儲(chǔ)存的水量（電容）越多。直到現(xiàn)在，很多電路中用于儲(chǔ)能的RC組合的堰塞效應(yīng)仍被忽視。

研究同時(shí)表明，非晶TiO2且表面有很多納米尺寸小孔的固態(tài)超級(jí)電容器要比液體電解質(zhì)的常見(jiàn)超級(jí)電容器性能更加優(yōu)異。在早期工作中，研究人員就總結(jié)得到TiO2固態(tài)電容器在儲(chǔ)能方面的諸多優(yōu)勢(shì)，比如：高達(dá)4.8F的電容量；超大工作溫度區(qū)間（193-453K）；工作電壓范圍大（在10到150V之間）。相比來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的雙電層電容器不具備這些優(yōu)勢(shì)。

Fukuhara表示：“除了最早的研究工作外，人們普遍認(rèn)為電路適合于快速充電和快速放電。因此，RC組合在電能存儲(chǔ)方面的堰塞效應(yīng)一直都被忽視了。當(dāng)我們開(kāi)始研究使用固體材料制備的物理電容器時(shí)，基于傳統(tǒng)理念，我們開(kāi)始質(zhì)疑電容器的常用方法?！?/p>

未來(lái)，研究人員試圖進(jìn)一步提高這些固態(tài)超級(jí)電容器的性能，使其儲(chǔ)能效果加倍。

Fukuhura說(shuō)道：“我們的目標(biāo)是制備適用于電動(dòng)汽車和交流輸電線的固態(tài)物理電能儲(chǔ)存設(shè)備，并且可以儲(chǔ)存發(fā)生閃電時(shí)空氣中存在的大量電荷，但無(wú)疑，這還需要很長(zhǎng)時(shí)間?！?/p>