ジェレミー・クック
太陽光や風力などの再生可能電源への移行には、エネルギー貯蔵の新しい方法が必要です。雲が何日も太陽を覆い隠すこともあり、夜間は太陽光がまったく得られず、風はさらに変わりやすいこともあります。ストレージは、避けられない世代間ギャップを乗り越え、電力使用量の局所的な急増をカバーします。
今日のリチウムイオン電池は素晴らしいですが、充電と放電の速度が遅く、寿命も限られています。さらに、地球からリチウムを抽出することは複雑であり、それ自体が 環境に影響を与えます。現在、米国は世界のリチウムの1％未満を生産しており、生産のボトルネックとなる可能性がある。
スーパーキャパシタは、リチウムイオン電池よりもはるかに高速かつ高頻度で充電/放電が可能で、現在のバッテリーストレージを増強して素早いエネルギー入出力を行うために使用されています。グラフェン電池技術、またはグラフェンベースのスーパーキャパシタは、一部の用途ではリチウム電池の代替となる可能性があります 。
瞬時の電力供給と長期的なエネルギー供給
スーパーキャパシタの大きな利点は、その高出力能力です。欠点は総エネルギー密度が低いことです。これらの特性は矛盾しているように見えるかもしれませんが、両方の用語の定義を考えてみましょう。
電力 = 仕事/時間、SI単位ではジュール/秒として表される
エネルギー密度 = 蓄えられたエネルギー/体積、SI単位ではジュール/m^3として表される
分子の単位は同じですが、2つの異なる量です。電力は特定の期間にわたって一定量のエネルギーを放出する能力であり、エネルギー密度は期間に関係なく一定量のエネルギーを蓄える能力です。
両方の値が高いのが理想的ですが、スーパーキャパシタは通常、高出力放電容量と低エネルギー密度を備えています。したがって、スーパーキャパシタは瞬間的に大量のエネルギーを生成できますが、同等のリチウムイオン電池ほど長くこの（またはより低いレートの）エネルギー出力を維持することはできません。今日のアプリケーションでは、多くの場合、スーパーキャパシタを使用して大量のエネルギー入力または消費 (回生ブレーキや急加速など) を均等化し、長期的なエネルギー需要はバッテリーで処理します。
課題は、優れた瞬間電力容量を維持しながら、スーパーキャパシタのエネルギー密度を高めることです。その答えは、驚異の素材、グラフェンという形で現れます。
グラフェンエネルギー貯蔵は未来か？
スーパーキャパシタでは、一般的に、活性炭でコーティングされ、電解質溶液を含む半透膜で分離された金属箔で作られた陽極層と陰極層が使用されます。この炭素/膜サンドイッチの層は、コンデンサハウジング内に巻かれたり積み重ねられたりして、電解質内のイオンの移動によって電荷を蓄えることができます。
この用途では、活性炭は厚さ1/10 mm程度と非常に薄く作ることができますが、表面積は大きく、0.1 mmの粒子ごとに数平方センチメートルになります。しかし、グラフェンは、1原子の厚さの2D分子のシートで、活性炭と同様の比表面積を持っています。極めて薄い層に広げることで超高密度の導体配置を実現できます。グラフェンは優れた導体であるため、熱損失が最小限に抑えられ、理論的には活性炭スーパーキャパシタよりも優れた電力供給が可能になります。
問題は、グラフェンコンデンサを大規模に製造することです。しかし、グラフェンの可能性を考慮して、研究者たちは秘密裏にこの種の実装に取り組んでいます。グラフェンによってリチウムイオン電池が完全になくなるわけではないが、グラフェンを使用したスーパーキャパシタの改良により、この電力貯蔵装置のエネルギー密度と効率が向上する可能性がある。
その他の高度なストレージオプション...まだカーボンですか?
開発されている先進的なストレージオプションはグラフェンだけではありません。カーボンナノチューブ（グラフェンのシートとは対照的に、長い管状の分子内に炭素が配置された別の構造）の使用も、エネルギー貯蔵の役割を担うものとして提案されている。グラフェンボールや湾曲した/しわのあるグラフェンも、エネルギー貯蔵のための炭素ベースの可能性です。
電力の取り扱い
大量の電力を供給できるのは良いことですが、適切に使用するには制御する必要があります。SiCトランジスタ はこの役割に使用できます。これに伴い、適切な電力とエネルギーの適用を確保するために、 電流測定技術 を実装する必要があります。
興味深いことに、シリコン（およびこの2つの組み合わせ）とともにさまざまな形態の炭素の高度な生産は、エネルギー処理の将来の波であると思われます。今日の難しさは、理論上および/または小規模で機能するアイデアを取り上げ、それを私たちの生活を豊かにする日常的な製品にまで拡大することです。これらの技術が完成し、実装されれば、さらに高性能なデバイスを備えた、よりエネルギー効率の高い未来が予測できます。
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