コンデンサ 技術はプリント基板の枠を超えて拡大しており、データストレージ、ウェアラブルデバイス、電気自動車、スマートグリッドなどのアプリケーションでバッテリーを補完または置き換えるなど、エネルギー貯蔵アプリケーションを実行できる新世代のスーパーコンデンサの需要が高まっています。
Lux Researchによると、スーパーキャパシタ（スーパーキャップとも呼ばれる）の市場規模は、2013年の4億6,600万ドルから2018年には2倍以上に拡大し、8億3,600万ドルに達すると予測されている。
コンデンサとバッテリー
従来のコンデンサは今日の電子システムに広く普及しており、コンピューターから携帯電話、テレビ、自動車まで、事実上あらゆる製品およびアプリケーション市場向けに毎年数十億個が出荷されています。電力の調整に広く使用されているコンデンサは、絶縁体によって分離された導体のペアを使用して電荷を保持します。
コンデンサとバッテリーは バッテリーと比較されることもありますが、その構成と性能には基本的な違いがあり、それぞれのタイプのデバイスは異なる用途に適しています。コンデンサは受動部品であり、回路から電荷を集め、それを短期間蓄え、その後一気に放出します。 対照的に、バッテリーは電子システムのエネルギー源として機能します。バッテリーは電気化学セルに電気エネルギーを蓄えます。大量の電荷を長時間保持でき、ゆっくりと電荷を放出することができます。
バッテリーに対するスーパーキャパシタの利点
しかし、新しいタイプのスーパーキャパシタの登場により、キャパシタ技術とバッテリー技術の区別が曖昧になってきています。
スーパーキャパシタは、電解コンデンサに比べて単位体積あたり最大100倍のエネルギーを蓄えることができます。また、バッテリーよりもはるかに速く充電および放電できます。さらに、スーパーキャパシタは従来の充電式バッテリーよりもはるかに多くの充電と放電のサイクルに耐えることができます。
スーパーキャパシタのその他の利点としては、電力密度が高く、ピーク電力供給能力が高く、サイズが小さく、等価直列抵抗 (ESR) が低いことが挙げられます。最後に、スーパーキャパシタは従来のバッテリーと同様に、電荷をゆっくりと放出する機能を備えています。
現在のスーパーキャパシタは活性炭から作られています。しかし、研究者たちはグラフェンやナノ構造炭素など、より高い性能を発揮する材料を評価しています。科学者たちは、スーパーキャパシタとバッテリーの機能と技術を組み合わせたデバイスも開発しています。
スーパーキャパシタバックアップ電源
スーパーキャパシタは、短時間に高レベルの電力が必要なアプリケーションでバッテリーに取って代わりつつあります。そのような領域の1つは、データ ストレージ用のバックアップ電源です。このアプリケーションは、短時間に中レベルまたは高レベルの電流を必要とするスーパーキャパシタの強みを生かします。
具体的な製品としては、ソリッド ステート ドライブ (SSD) や冗長独立ディスク アレイ (RAID) システムなどがあります。RAIDシステムは、停電などの不測の事態からデータを保護するように設計されています。電気の流れが中断されると、揮発性メモリに保存された情報が失われる可能性があります。
メモリの進歩により、RAID電源バックアップ アプリケーションでバッテリーをスーパーキャパシタに置き換えることが可能になりました。エンジニアによるRAIDバックアップ システムの開発を支援するため、Linear Technology Corp. は、スーパーキャパシタと組み合わせてRAIDバックアップ システムを実装できるマイクロチップのセットを提供しています。Linear Technologyのソリューションは、LTC®3625スーパーキャパシタ チャージャー、LTC4412 PowerPath™ コントローラ、およびLTM®4616デュアル出力 μModule® DC/DCコンバータで構成されています。
電気自動車用スーパーキャパシタ
グラフェンは、電気自動車 (EV) に適した新しいタイプのスーパーキャパシタの作成を可能にします。
韓国の光州科学技術研究院は、リチウムイオン電池とほぼ同量の電気を蓄えながら、わずか16秒で充電できるグラフェンベースのスーパーキャパシタを開発したと発表した。このような性能は、急速充電を必要とするブレーキング時に消費されるエネルギーを回収するのに役立ちます。
スマート電力グリッド技術
新たなスーパーキャパシタ技術は、新しいスマート電力網のストレージにも応用できる可能性があります。
太陽光と風力による発電は急速に増加しています。しかし、このタイプの発電の予測不可能な性質が、これらの再生可能エネルギー源のより広範な導入を妨げています。太陽光は太陽が輝いているときのみ発電し、風力は風が吹いているときのみ発電します。
グリッドベースのストレージは、再生可能エネルギーを後で使用するために貯蔵することで、この問題を軽減できます。しかし、従来のスーパーキャパシタやバッテリーは、容量と充電速度の点で限界があります。
ドレクセル大学工学部の研究者たちは、バッテリーとスーパーキャパシタの要素を組み合わせた技術を開発することでこの問題に取り組んでいます。
ドレクセル社の電気化学フローコンデンサ (EFC) は、2つの外部電解質リザーバーに接続された電気化学セルで構成されており、EVで使用されるフローバッテリーと同様の設計になっています。
EFCの設計により、バッテリーのように大量のエネルギーを蓄えるのに十分な規模で構築することが可能になります。同時に、スーパーキャパシタのように、需要に応じてエネルギーを迅速に取り出すことも可能になります。
ハイブリッドスーパーキャパシタ技術
UCLAのカリフォルニア・ナノシステム研究所は、バッテリーとスーパーキャパシタの両方の特徴を備えたハイブリッドスーパーキャパシタを開発したと発表した。UCLAによると、この新しいハイブリッドスーパーキャパシタは大量のエネルギーを蓄え、急速に充電でき、1万回以上の充電サイクルに耐えられるという。UCLAは、この技術のマイクロスーパーキャパシタバージョンも発表した。
UCLAのコンポーネントは、レーザー スクライブ グラフェン (LSG) と二酸化マンガンを組み合わせています。LSGは電荷を蓄えることができ、導電性が高く、急速充電と再充電が可能です。一方、二酸化マンガンは、大量の電荷を保持できるため、現在アルカリ電池に使用されているのと同じ材料です。二酸化マンガンも安価で豊富にあります。
UCLAが発表したマイクロスーパーキャパシタは、ウェアラブルデバイスや埋め込み型デバイスでの使用に適したコンパクトなフォームファクタを備えています。マイクロスーパーキャパシタは紙のわずか5分の1の厚さであるにもかかわらず、平均的な薄膜リチウム電池の2倍以上の電荷を保持できます。
変化への対応力
これらの技術の多くは開発の初期段階にありますが、スーパーキャパシタは、さまざまな新しい用途において、エネルギー貯蔵、バッテリーの補完、増強、さらにはバッテリーの代替として、ますます重要な役割を果たすようになるでしょう。