スーパーキャパシタのしくみ

この投稿では、スーパーキャパシターとは何か、通常のキャパシターとどの程度類似しているか、または異なっているかを理解し、バッテリーとスーパーキャパシターのどちらが優れているかを比較します。

通常のコンデンサの基本を理解しましょう。

通常のコンデンサのしくみ

コンデンサは、インターリーブされた導電性材料と誘電性材料の間に少量の静電エネルギーを蓄積できる受動電子部品です。

この特性により、コンデンサを高速で充電および放電することができ、すべての電源回路で電圧スムーザーとして使用しています。

すべてのコンデンサには、動作温度、動作電圧、コンデンサの値など、通常は数ピコファラッドから数千マイクロファラッドの範囲の仕様がボディにコーティングされています。

民生用電子機器に通常見られるコンデンサは、セラミック、ポリエステル、紙などです。これらのタイプのコンデンサは、通常、数ピコファラッドからマイクロファラッド未満の範囲の低静電容量を持っています。

静電容量の大きいものは電解タイプで、静電容量は0.1uFから数千マイクロファラッドの範囲です。

電解コンデンサは、図に示すように、誘電体として化学電解質を浸したティッシュと、どちらかの側にアルミホイルを追加することで、電荷蓄積容量を増やします。

アルミニウムとティッシュのスタックは円筒形に丸められ、アルミニウムシャーシに収容されます。ロールの直径、ティッシュの高さと厚さによって、コンデンサのさまざまなパラメータが決まります。

電解コンデンサは極性があります。つまり、アノード端子とカソード端子があり、他のタイプのコンデンサのようにコンデンサへの入力電源の極性を交換しないでください。

スーパーキャパシタのしくみ

スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタまたは二重層キャパシタとも呼ばれます。スーパーキャパシタには膨大な電荷蓄積容量があり、通常はファラッドで測定されます（マイクロまたはピコまたはナノの接頭辞なし）。

スーパーキャパシタは、数ファラドから数千ファラドの範囲です。通常のコンデンサとは異なり、スーパーキャパシタの動作電圧は低く、通常は2.5V〜2.7Vです。

これらは直列および並列構成で接続され、コンデンサバンクからのスループットを向上させます。
スーパーキャパシタは、バッテリーが特定のタスクを効率的に処理できない場合に、車両の即時回生ブレーキに使用されます。運動エネルギーは電気エネルギーに変換されてしばらくの間蓄積され、車両を加速するために再利用されます。

このメカニズムにより、車両の全体的な効率が向上します。しかし、バッテリーだけを使用すると、エネルギーの取り込みは効率的ではありません。多くの自動車メーカーは、バッテリーと組み合わせたスーパーキャパシターを実験しており、システムの全体的な効率が改善されたと報告されています。

スーパーキャパシタは、バッテリーと比較して、充電と放電のサイクルが優れています。私たちのスマートフォンに見られる典型的なリチウムイオン電池の充電と放電のサイクルは約1000回ですが、スーパーキャパシターの充電と放電のサイクルは100万回を超えています。

バッテリーが特定の電圧未満で長時間放電されると、バッテリーの有効容量が低下します。スーパーキャパシタにはそのような制限はなく、ゼロボルトまで到達できます。

ただし、コンデンサを1年程度の長期間にわたって充電せずに放置すると、コンデンサのプレート間の化学反応により、電荷保持能力が低下する可能性があります。

スーパーキャパシタの構築：

スーパーキャパシターの構造は基本的に通常のキャパシターと同じですが、使用する材料の種類が異なり、エネルギー貯蔵容量を増やすために何らかの方法が使用されます。

スーパーキャパシターは、電解質に浸されたセパレーターの両側に導電性プレートがあり、セパレーターは、プラスチック、カーボン、または紙で作られた非常に薄い誘電体です。

セパレータは通常のコンデンサに比べて非常に薄く、プレート間のイオン移動効率を高めています。

スーパーキャパシタは、図に示すように、両側のプレートが充電されると、セパレータの両側に電荷を生成するため、二重層と呼ばれることもあります。

これで、スーパーキャパシタとその基本的な機能についてのアイデアが得られます。

バッテリーとスーパーキャパシター：

バッテリーとスーパーキャップのエネルギー密度と重量を比較してみましょう。

リチウムイオンおよびリチウムポリマーは、市販されている他のバッテリー技術と比較して、最も高いエネルギー密度を持っています。これが、私たちのスマートフォンやその他の携帯用電子機器がリチウムイオン/ポリマーで作られている理由です。

スーパーキャパシタのエネルギー密度はリチウム電池に比べてかなり低いため、ポータブルでないデバイスにのみ理想的です。

スーパーキャパシタは、急速充電と急速放電に非常に優れています。これは、すべての種類のバッテリーの内部抵抗が高いため、バッテリーでは達成できません。

より安全な電流制限を超えてバッテリーを放電しようとすると、バッテリーが損傷する可能性があります。これは、電池が内部抵抗を持ち、発熱するためです。生成された熱エネルギーは、バッテリー容量に不可逆的な損傷を与えるのに十分です。

スーパーキャパシタでは、内部抵抗は非常に小さく、大電流を供給するように設計されている一部の自動車用バッテリーの内部抵抗よりもさらに小さくなっています。スーパーキャパシタが熱によって損傷する可能性はかなり低いです。

バッテリーは非常に長期間充電を保持できますが、スーパーキャパシタの場合、自己放電が問題であり、長期間エネルギーを蓄えるのには適していません。

今、その結論の時間、

では、どちらが優れているのでしょうか。おそらく、それらのどれもが互いに優れているわけではありません。バッテリーは携帯性に優れていますが、スーパーキャパシターの充電および放電速度は非常に高くなっています。結局のところ、それは私たちが使用するアプリケーションに依存し、これがそれらのどれが最も適切であるかを決定します。

コメントセクションでお知らせください。技術の急速な発展により、いつかスーパーキャパシタがバッテリーに取って代わると思いますか。