在電路中，電容器常常用于儲存少量電能，但還尚未應用于大容量儲存電能。來自日本的研究人員發(fā)現，電阻和電容的合理結合能滿足儲能的兩個基本要素：快速充電和長時間放電。在電路中使用電容器作為儲能器件未來將在很多領域得到廣泛應用，例如混合動力汽車、備用電源以及替代能源存儲器件。

來自日本東北大學的Mikio Fukuhara，Tomoyuki Kuroda和Fumihiko Hasegawa教授將他們在這一領域的研究成果發(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）是完全充放電過程的三維漏斗型表面曲線。圖片來源：Fukuhara, et al.?2014 AIP Publishing LLC

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

為了探索電路中應用電容器儲能的可能性，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個電阻器、3個陶瓷電容器和4個鋁質電解電容器。研究表明在RC組合中，包含一個小的電阻器、一個大的電阻器和一個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內充電完成，且電量可保持超過40分鐘，電容可達100毫法（mF）。

▲ 圖片說明：在電路中實現快速儲存大量電荷并控制其長期緩慢放電的步驟：（a）關閉開關S1、S2、S3和S4使得電容器（C）快速充電；（b）打開開關S1、S2、S3和S4，使得電容器儲存電荷；（c）關合S2和S4閉合輸出電路，使得電容器（C）開始緩慢放電，并利用一個可變電阻控制放電過程。圖片來源：?2014 AIP Publishing LLC

Fukuhara表示：“本項工作最大的意義就是發(fā)現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)將成為未來存儲大容量電能的一種重要方法。基于此用途，用于存儲電能的電容器將由一種電化學裝置轉變?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。他們認為電阻和超級電容器電容的關系類似于水箱中塞子大小和存水量的關系。塞子（電阻）越大，水箱中可以儲存的水量（電容）越多。直到現在，很多電路中用于儲能的RC組合的堰塞效應仍被忽視。

研究同時表明，非晶TiO2且表面有很多納米尺寸小孔的固態(tài)超級電容器要比液體電解質的常見超級電容器性能更加優(yōu)異。在早期工作中，研究人員就總結得到TiO2固態(tài)電容器在儲能方面的諸多優(yōu)勢，比如：高達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）。相比來說，傳統(tǒng)的雙電層電容器不具備這些優(yōu)勢。

Fukuhara表示：“除了最早的研究工作外，人們普遍認為電路適合于快速充電和快速放電。因此，RC組合在電能存儲方面的堰塞效應一直都被忽視了。當我們開始研究使用固體材料制備的物理電容器時，基于傳統(tǒng)理念，我們開始質疑電容器的常用方法?！?/p>

未來，研究人員試圖進一步提高這些固態(tài)超級電容器的性能，使其儲能效果加倍。

Fukuhura說道：“我們的目標是制備適用于電動汽車和交流輸電線的固態(tài)物理電能儲存設備，并且可以儲存發(fā)生閃電時空氣中存在的大量電荷，但無疑，這還需要很長時間?！?/p>