スーパーキャパシタ がエネルギー貯蔵市場にもたらすメリットは相当なものです。しかし、これらの小さいながらも強力なコンポーネントを認識しているデザイナーはほとんどいないようです。
おそらくこれが、一部のアナリストが、 スーパーキャパシタ は依然として小さなニッチ市場であり、価格水準の高さと業界での認知度の低さによって、広く普及するのを妨げられていると感じている理由でしょう。しかし、これらのデバイスは用途が拡大している成熟した技術であると考えるアナリストが増えています。たとえば、Market Tech Researchは、スーパーキャパシタが2020年に35億ドルのエネルギー貯蔵収益を生み出し、2020年の バッテリー エネルギー貯蔵市場の5% を占めると予測しています。
最近のTransparency Market Research (TMR) レポートによると、アジア太平洋地域は2012年に他のすべての地域市場を上回り、世界のスーパーキャパシタ市場の主要メーカーになりました。回生ブレーキ、HEV、マイクロハイブリッド/ストップ/スタート システム、航空宇宙/軍事用途などのアプリケーションの進歩により、スーパーキャパシタ技術の成長が促進されています。これらの新しい革新的なアプリケーションは、今後数年間で世界のウルトラキャパシタ市場をかなり推進すると予想されます。
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スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタまたは電子二重層キャパシタ (EDLC) とも呼ばれ、エネルギー貯蔵システムにおいて果たす役割が拡大しています。テスラ・モーターズのCEO、イーロン・マスク氏は、これらのコンデンサがバッテリー技術を「置き換える」だろうと語ったとされている。スーパーキャパシタとウルトラキャパシタは、一般的なキャパシタと何が違うのでしょうか?バッテリーや燃料電池と比べるとどうでしょうか?これらの強化コンデンサの成長市場と応用分野はどのようなものでしょうか?この記事ではこれらの質問に答えます。
超伝導体の違い
スーパーキャパシタは、従来のキャパシタの密度よりも桁違いに高いエネルギー密度を持つ電気化学キャパシタです。コンデンサの体積あたりに蓄えられるエネルギーの量を、そのコンデンサのエネルギー密度と呼びます。エネルギー密度は、ワット時/リットル (Wh/l) で体積 (単位体積あたり) で測定されます。
バッテリーと比較すると、スーパーキャパシタは内部抵抗が低いため、高い電力密度を実現できます (図1)。電力密度とは、エネルギーが負荷に供給され、負荷から吸収される速度を指します。
図1: スーパーキャパシタの最大電力。(出典: 著者によるレンダリング)
スーパーキャパシタのもう一つの利点は、充電速度と放電速度が速いことです。これらのデバイスはイオンの吸収と放出を通じて充電と放電を実現します。スーパーキャパシタの内部直列抵抗が低いため、部品に損傷を与えることなく大電流の充電と放電が可能です。
スーパーキャパシタの主な2つの欠点は、セルあたりの電圧が低いことと、ACおよび高周波回路に適していないことです。スーパーキャパシタの材料構成に応じて、セル電圧負荷は2.1 V ～ 4 Vの範囲になります。ただし、標準値は2.7 Vです。アプリケーションでより高い電圧が必要な場合は、複数のセルを直列に接続する必要があります。
超容量性デバイスは、時定数の問題により、ACおよび高周波回路には適していません。スーパーキャパシタの場合、RC時定数は、一般的なキャパシタのフィルタの通常の参照とは異なる意味合いを持ちます。
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RC時定数を利用する1つの方法は、コンデンサの充電と放電にかかる時間を測定することです。これらの期間は、エネルギー貯蔵にコンデンサを使用する電力およびエネルギーアプリケーションにとって重要です。従来の コンデンサ のRC時定数は、数マイクロ秒から数十マイクロ秒のオーダーになります。逆に、スーパーキャパシタのRC時定数は約1秒です。この応答時間が遅いのは、静電容量（ファラッド）が大きいためです。
ただし、この大きな静電容量により、スーパーキャパシタはエネルギー貯蔵に最適です。バッテリーなどの他のエネルギー貯蔵装置と比較すると、超伝導体は非常に高速であると考えられています。そのため、回生ブレーキの場合のように、急激なエネルギーの急増を蓄積して戻す必要があるアプリケーションに最適です。
「歴史的に、コンデンサの『エネルギー貯蔵』としての能力は、バッテリーに比べて非常に小さいため、代替手段として真剣に検討されたことはなかった」とシノプシスの科学者ジャミル・カワ氏は指摘する。.「スーパーキャパシタとウルトラキャパシタは、エネルギー貯蔵の容積容量を劇的に増加させました。まだバッテリーや燃料電池と同等ではありませんが、バッテリーよりも優れた特性を備えているため、十分に競争力があります。」
バッテリーは長い間、エネルギー貯蔵の標準となってきました。どうして、たとえ「スーパー」コンデンサであっても、コンデンサに勝てるのか？まず、バッテリーは数百または数千サイクルを経ると再充電できなくなります。しかし、実用上、コンデンサの充電および放電サイクルの寿命は無限です。
第二に、コンデンサはバッテリーに比べて内部抵抗が非常に低いです。バッテリーよりも高い瞬間電力（単位時間あたりのエネルギー）を供給できます。「これはとても重要なことです」と川氏は説明する。「バッテリーは競合するスーパーキャパシタよりも大きなエネルギー量を持つことができますが、後者はより高い瞬間電力を供給できます。」
最後に、 モノのインターネット (IoT) エネルギー収集メカニズムを備えたアプリケーションでは、このような強力なエネルギー貯蔵デバイスをチップに組み込む機能が重要な要件となります。スーパーキャパシタとマイクロバッテリーは、これらのニーズに最適です。
スーパーキャパシタとその他のエネルギー貯蔵技術の比較
スーパーキャパシタは、バッテリーや燃料電池などの他のストレージデバイスと比べてどうでしょうか?図2は、バッテリーとスーパーキャパシタの各カテゴリが電力密度 / エネルギー密度マトリックスのどこに当てはまるかを比較したものです。燃料電池はエネルギー密度ではトップクラスですが、電力密度はかなり低いです。一般的に、バッテリーはスーパーキャパシタよりもエネルギー密度が高いですが、スーパーキャパシタもそれほど劣ってはおらず、電力密度の点でバッテリーを上回るものもあります。
図2: オンチップ ストレージ ソリューションにおける充電式バッテリーとスーパーキャパシタの比較。(出典: Synopsys提供)
アプリケーション
現在、スーパーキャパシタとウルトラキャパシタは、変動する負荷を安定させ、携帯電子機器を急速充電するために使用されています。さらに、これらの容量性デバイスは、電圧変動を緩和する電力バッファなどとして機能します。
大型スーパーキャパシタやウルトラキャパシタなど KEMETのは、初期の高トルクが必要とされる産業用途にますます採用されるようになっています。より小型のスーパーキャパシタ、特に小型モジュールに統合できるスーパーキャパシタは、エネルギーハーベスティングなど、バッテリーの交換が選択肢にないアプリケーションに電力を供給することになります。
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ほとんどのアプリケーションでは、スーパーキャパシタはバッテリーに取って代わることはなく、バッテリーと共存する可能性があります。カワ氏によると、スーパーキャパシタデバイスは、高レベルの瞬間電力が必要な場所や、エネルギーハーベスティング技術による急速充電のために使用されるという。再生可能エネルギー源が断続的になる「暗期」にはバッテリーが必要になる。