スーパーキャパシタ

スーパーキャパシタは、電極表面での高速かつ高可逆的なプロセスを通じて電荷を蓄積し、バッテリーよりも低いエネルギー密度で非常に高い電力と長いサイクル寿命を提供します。

Definition

高表面積電極の電気二重層に電荷を静電的に蓄積するエネルギー貯蔵装置であり、必要に応じて高速な表面レドックス（擬似容量性）反応によって補強されます。

Scope

このトピックでは、電気化学キャパシタについて扱います。これには、高表面積電極での静電電荷蓄積に起因する二重層容量、高速表面レドックス反応による擬似容量、多孔質炭素や金属酸化物などの使用材料、および結果として得られるエネルギーと電力特性が含まれます。また、従来のキャパシタとバッテリーの間のスーパーキャパシタの位置付けについても説明します。

Core questions

• 電気二重層における電荷貯蔵は、バッテリーにおける電荷貯蔵とどのように異なりますか？
• 擬似容量とは何ですか、またどのように蓄積電荷を増加させますか？
• スーパーキャパシタはなぜ非常に高い電力と優れたサイクル寿命を達成できるのですか？
• どのような材料がアクセス可能な表面積と容量を最大化しますか？

Key theories

二重層電荷貯蔵

電荷は、膨大な表面積を持つ電極と電解質の界面にイオンが蓄積することによって物理的に貯蔵されます。バルク化学反応は伴わず、高速で高可逆的な充電と放電が可能です。

擬似容量

遷移金属酸化物などの材料における高速で可逆的な表面または表面近傍のレドックス反応は、キャパシタのような応答で追加の電荷を貯蔵し、純粋な二重層貯蔵を超えるエネルギー密度を高めます。

Clinical relevance

スーパーキャパシタは、車両における急速な電力バーストと回生ブレーキエネルギー回収、バックアップ電源、負荷平準化を提供し、高い電力と長寿命がバッテリーのエネルギー密度を補完するハイブリッドシステムでバッテリーと組み合わせられることが増えています。

History

二重層キャパシタの概念は、ヘルムホルツの19世紀の界面モデルにまで遡ります。商用デバイスは1970年代から登場し、コンウェイの研究によって擬似容量が形式化され、2000年代にはナノ構造炭素と酸化物が大幅な容量増加を牽引しました。

Key figures

• Brian E. Conway
• Hermann von Helmholtz
• Yury Gogotsi
• Patrice Simon

Seminal works

• winter2004
• simon2008
• conway1999

Frequently asked questions

スーパーキャパシタはなぜバッテリーよりもはるかに速く充電されるのですか？

それらは、遅いバルク化学反応ではなく、電極表面にイオンを物理的に蓄積することによって電荷を貯蔵するため、充電と放電は主にイオンの移動によって制限され、数秒で完了します。

スーパーキャパシタはなぜバッテリーを単純に置き換えないのですか？

表面電荷貯蔵は、バルクレドックス化学よりも単位質量あたりのエネルギーがはるかに少ないため、スーパーキャパシタは高電力を提供しますが、エネルギー密度は低く、持続的なエネルギーを必要とするほとんどの用途ではかさばりすぎます。