スーパーキャパシタ、私はあなたを「バッテリー」と呼んでいますが、同意していただけますか?

バッテリーは私たちの生活のいたるところに存在していますが、コンデンサーやスーパーコンデンサーについては多くの読者にとって馴染みのないかもしれません。実際、バッテリーとコンデンサはどちらも、生産と生活において広範かつ重要な用途を持っています。どちらも、電気エネルギーの化学的貯蔵と電気エネルギーの物理的貯蔵の典型的な代表例です。特にスーパーキャパシタは、コンデンサとバッテリーの特性を組み合わせ、原理的に両方の特性を吸収し、独自の特性と幅広い用途を備えた電気化学デバイスの一種になります。化学、物理学、材料科学の発展に伴い、化学的エネルギー貯蔵と物理的エネルギー貯蔵の境界はますます曖昧になってきています。バッテリー、コンデンサ、スーパーコンデンサは、人間のニーズをよりよく満たし、社会の発展に貢献するために、互いの長所を活かし合っています。

著者：李存普（重慶大学化学工学部教授）

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電気エネルギーの貯蔵を理解する

電気エネルギーの開発と応用は人類の近代化の鍵であり、人類のエネルギー利用を新たなレベルに引き上げます。電灯、電信、電子計算機、携帯通信機器など、現代人の電気エネルギーに対する需要と使用は日々変化しています。発電所では、熱エネルギー、機械エネルギー、太陽エネルギー、風力エネルギーなどのエネルギー源を通じて電気エネルギーが生成され、電力網を通じて電気ユーザーに送られます。伝達・使用に特別な作動物質（作動流体）に依存しません。この機能は、幅広い応用の鍵となる一方で、保管の障害にもなります。

電気エネルギーの生産と伝送に加えて、その効率的な貯蔵と放出は学界と産業界の重要な関心事です。電力貯蔵装置を開発する目的は多々ありますが、究極的には上流の生産端で系統に接続して調整することと、下流の使用端で系統外で使用することの2つしかありません。電力の上流生産端にとって、風力エネルギー、太陽エネルギーなどは断続的にしか電気を生成できず、これは電力網からの安定した電力供給の需要と当然矛盾しています。需要と供給のバランスをとるためには、電気を貯蔵し、放出する必要があります。下流のユーザーにとって、数千世帯に電気を供給できるようになった一方で、電力消費の山と谷の不均衡と電力の安定供給の間には当然矛盾が生じています。一方、オフグリッドである電気自動車、屋外電力、移動通信機器などの電力需要は、いずれも電力の貯蔵と放出を必要とします。

残念ながら、電気エネルギーの伝送と使用には作動流体は必要ないため、電気エネルギーを直接貯蔵するのに適した物体や装置を見つけることは困難です。超伝導は、電気エネルギーの重要なキャリアである電子を超伝導デバイスに妨げられることなく直接保存できるため、この問題の究極の解決策となる可能性があります。しかし、超伝導デバイスは低温環境を必要とするため、冷却プロセスで消費される電気エネルギーは、超伝導デバイスに蓄えられるエネルギーよりもはるかに大きくなります。したがって、室温超伝導が実際に利用される前に、最も経済的な選択肢はエネルギー貯蔵装置を開発することです。

電気エネルギー貯蔵装置を考えるとき、最も基本的な要件は、どれだけのエネルギーを貯蔵/放出できるかということです。基本的な直流を例にとると、中学校の物理で電気エネルギーの量を計算する基本的な公式はすでに習得しています。

ここで、ΔU は蓄積/放出/転送される電気エネルギーの量 (ジュール単位)、ΔV は電気エネルギーの正極と負極間の電位差または電圧 (ボルト単位)、Q は蓄積/放出/転送される電気の量 (クーロン単位) です。電気エネルギーの伝送が定電圧定電流である場合、Q は電流 (アンペア単位) に時間 t を乗じたものに等しくなります。もちろん、この記事は中学校物理の電気的な部分を議論することを意図したものではありませんが、上記の式（1）は、電気エネルギーを蓄えるときに何をする必要があるか、つまり電圧ΔVを増やして蓄えられる電気量Qを増やす必要があるかを理解するのに役立ちます。

02

化学発電バッテリーと物理発電コンデンサ

現在、電気エネルギーを貯蔵する 2 つの主流の方法は、バッテリーとコンデンサ (およびスーパーコンデンサ) であり、それぞれ電気エネルギーの化学的貯蔵と電気エネルギーの物理的貯蔵の代表的なデバイスでもあります。

図1 電池とコンデンサの構造と原理の概略図。図はデバイスの放電状態を示しています。

2.1 化学電源 - 電池

バッテリーは現在、最も広く使用されている電気エネルギーの貯蔵および変換装置です。原理は、自発的（ ΔG<0 ）で電子移動を伴う化学反応を設計し、酸化還元半反応を物理的に分離し、電子が外部回路を通って移動して電気エネルギーを放出するように誘導し、同時に内部回路のイオン移動によって反応ループを完了することです。上記のプロセスは自由エネルギーを電気エネルギーに直接変換します。

ここで、ΔG は反応のギブス自由エネルギー (これは蓄積できる電気エネルギー量 ΔU の逆数でもあり、単位はキロジュール/モル)、n は化学反応で移動する電子の数、F はファラデー定数、ΔV は反応の電位差 (電圧) です。化学物質が燃焼して熱エネルギーを発生させ、熱エネルギーがピストンを動かして仕事をし、機械エネルギーに変換され、機械エネルギーが電気エネルギーに変換される発電プロセスと比較すると、エネルギー貯蔵バッテリーは、熱エネルギーを化学エネルギーに変換するカルノーサイクルの理論的な効率限界を回避し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する際の熱効率の損失がありません。そのため、化学エネルギーから電気エネルギーへの理論的な変換効率が最も高くなります。

図1の左図に示すように、広く使用されているリチウムイオン電池を例にとると、電池が放電状態にあるとき、外部回路の電子は負極から始まり、電気機器を通過して正極に向かいます。正極材料は電子を得て還元反応を起こし、同時にリチウムイオンが正極材料に埋め込まれて正極材料が充電されないようにします。負極材料は電子を失って酸化反応を起こし、リチウムイオンは負極から出て電解液に入ります。正極と負極における電子の増減と、それに伴って正に帯電したリチウムイオンの増減により、電池の正極と負極は動作状態では電荷を帯びず、放出される電気エネルギーの電圧は正極材料と負極材料の化学ポテンシャルの差から生じます。リチウムイオン電池では、リチウムイオンが直接電子を獲得したり失ったりするのではなく、リチウムイオンの挿入と抽出を通じて充電と放電のプロセスが完了します。電池が作動しているとき、固体の正極および負極材料の構造は安定しており、電解質のリチウムイオン濃度は安定したままであるため、電池の動作電圧が安定し、リチウムイオン電池の商業的成功の鍵となります。

2.2 物理的な電源 - コンデンサ

化学反応を利用して電気エネルギーを蓄える化学電源である電池と比較すると、コンデンサの原理はより直接的です。高校の物理の授業で学んだ平らなコンデンサーの授業を思い出してみましょう。図1に示すように、動作中にコンデンサ内で化学反応は発生しません。充電されたコンデンサの負極材料の表面には余分な電子が蓄えられ、これらの電子の対応する数の正電荷が正極材料の表面に蓄えられます。コンデンサが放電されると、負極の過剰電子が電気機器を介して正極に到達し、正極が運ぶ正電荷を中和し、同時に負極材料は電気的に中性に戻ります。平板コンデンサの場合、蓄積された電荷とエネルギーは式（3）と式（4）を使用して処理できます。

ここで、Q はコンデンサに蓄えられた電荷、ΔV はコンデンサの電圧、C はコンデンサの静電容量です。コンデンサの静電容量 C はコンデンサの材料と構造に関連しており、その中で材料の重要な物理量は誘電率 ε であることがわかります。

式（５）において、Ｓは平板コンデンサの電極面積、ｄは平板間距離、εはコンデンサ電極間の誘電体の誘電率である。誘電体は、特定の極性を持つ非導電性材料の一種です。外部電場が印加されると、それらは電場線によって方向付けられ、外部電場と反対方向に反電場を形成します。誘電体によって形成される逆電界が強くなるほど、それを相殺するためにコンデンサの正極板と負極板に蓄積する必要がある電荷が増加し、それによってコンデンサの電荷蓄積能力が向上します。つまり、コンデンサの電力貯蔵容量が向上します。

2.3 電池とコンデンサ

バッテリーとコンデンサの電力貯蔵原理を比較すると、それぞれの原理によって決まる特性がわかります。バッテリーは電力貯蔵容量が大きく、放電プラットフォームが安定しており、貯蔵時間が長いですが、充放電速度が遅いです。コンデンサは蓄電容量が小さく、放電プラットフォームが不安定で、蓄電時間が短いですが、充放電速度が速いという特徴があります。

バッテリーとコンデンサの違いを理解するには、充電時に何が行われるかに注目すると役立ちます。図2の左図に示すように、バッテリーを充電するときは、充電器の負極がバッテリーの負極に接続されます。充電器の負極の還元性（電子を放出する能力）は電池の負極材料の還元性よりも強いため、「弱肉強食」の原理に従って、電池の負極材料は電子を獲得して還元反応を起こします。同時に、材料の電気的中性を確保するために、正に帯電した陽イオンが負極材料に入り、電池の負極の充電生成物を形成します。充電時には、バッテリーの正極は負極と同様に反応します。電池は電極内の大量の物質の酸化還元反応を利用して電気エネルギーを蓄えるため、電荷貯蔵容量が非常に大きくなります。たとえば、リチウムイオン電池は、300Wh/kg（単位重量あたりの蓄電エネルギー、つまり電池1kgあたり0.3kWhの電力）のエネルギー密度を実現できます。したがって、電極材料の酸化還元反応に依存するため、電池の正極および負極材料は、酸化物、炭素材料、窒化物などの非優れた導体であることが多い。また、電極材料中の化学反応の速度やイオンの移動速度が遅いため、バッテリーの充放電速度はコンデンサよりも遅くなります。バッテリーが完全に充電され、充電器が取り外された後、バッテリーの正極と負極は電気的に中性であるため、バッテリー内部に電界はなく、バッテリーを長期間保管できます。

図2 バッテリーとコンデンサの充電目標とプロセスの概略図

コンデンサについては、図2の右図に示すように、コンデンサの正極と負極は両方とも導体です。したがって、コンデンサを充電器に接続すると、コンデンサの負極は電子を獲得し、充電器の負極と等電位体を形成します（導体の固有の特性）。同様に、コンデンサの正極の電子は、電位が充電器の正極の電位と等しくなるまで除去されます。このプロセスでは、実際には電子が充電器を介してコンデンサの正極から負極に転送されます。最終的な目標は、コンデンサの正極と負極がそれぞれ充電器の正極と負極と等電位体を形成することです。つまり、5V 充電器はコンデンサを自然に 5V まで充電します。しかし、正極と負極の間でどれだけの電荷が移動するか（または負極にどれだけの電子が蓄積されるか）は、コンデンサ内の誘電体によって異なります。 5V充電器で充電する場合を例にとると、正極と負極の電荷が蓄積されると、コンデンサー内部に電界が発生します。電界強度 E に正極と負極間の距離 d を乗じたものがコンデンサの電位差 ΔV となります。

充電の目的は非常に明確で、正極と負極の間に 5V の電位差を実現することです。しかし、誘電体の極性により逆電界が発生するため、コンデンサ内部の電界 E は弱まります。したがって、ΔV = 5Vの目標を達成するには、正極プレートと負極プレートにさらに多くの電荷を蓄積して電界Eを増加させる必要があります。電解質の逆電界発生能力が強ければ強いほど、コンデンサが蓄えられる電荷、つまりエネルギーが大きくなります。

導体等電位体の特性により、コンデンサの正極板と負極板は電極表面に電荷を蓄えることしかできず、自然に蓄えられるエネルギーは非常に小さいです（通常 10 Wh/kg 未満）。しかし、充放電速度の観点から見ると、導体内の電子伝達速度は非常に速いです。そのため、物理的な原理に基づいて電気エネルギーを蓄えるコンデンサは、充放電速度が優れており、充放電電力はバッテリーよりもはるかに大きくなります。 （コンデンサの容量は低いですが、完全に充電されるまでに数ミリ秒しかかかりません。一方、バッテリーの超急速充電にも 20 ～ 30 分かかります。つまり、コンデンサの充電速度はバッテリーの 100 万倍です。）また、コンデンサプレートは完全に充電された後も電荷を保持し、内部に電界があるため、コンデンサは完全に充電された後、「不安定」な状態になります。したがって、保管プロセス中に、コンデンサはより速い速度で自己放電（電力を失う）し、バッテリーのように長期間保管することはできません。

03

スーパーキャパシタ

前述のように、バッテリーは化学反応を利用してエネルギーを蓄え、蓄える量は多いものの、蓄える速度は遅いです。コンデンサは物理的な原理を利用して電荷を蓄え、少量ずつ素早く電荷を蓄えます。では、両方の特性を組み合わせて、高速かつ優れたエネルギー貯蔵装置を開発することは可能でしょうか?

スーパーキャパシタは良い出発点になるかもしれません。名前から判断すると、スーパーキャパシタはコンデンサのプロマックス版のように見えますが、実際には、スーパーキャパシタの「スーパー」はコンデンサの単なるアップグレード版ではなく、バッテリーとコンデンサの原理を総合的に活用したタイプのデバイスです。コンデンサの場合、物理的なエネルギー貯蔵の原理により、デバイスの急速な充電と放電を実現でき、実用的な観点から高電力要件を満たすことができます。前の式（５）を振り返ると、コンデンサの構造上の制約により、構造的な観点からの改善は主に正極と負極間の距離ｄを小さくすることで達成される。ただし、距離が短すぎると短絡が発生し、コンデンサが故障する可能性があります。材料の観点から見ると、容量の向上は主に誘電体の誘電率を高めることによって達成されます。しかし、誘電体の分子特性により、誘電体が提供できる逆電界は非常に限られており、コンデンサ容量の飛躍的な向上が制限されます。

スーパーキャパシタ（以下、「スーパーキャパシタ」）の特徴は、従来のキャパシタの誘電体を、陰イオンと陽イオンを含む電池のような電解質に置き換えることで、dを大幅に削減（1mmから1nmへ、10-6倍の削減。ローンの金額が現在の100万分の1になることを想像してみてください。とてもスーパーです）し、電極面積Sを大幅に増やす（給料が100万倍になることを想像してみてください。とてもスーパーです）ことができることです。図 3 に示すように、スーパーキャパシタが完全に充電されると、負極には負の電荷が蓄積され、正極には正の電荷が蓄積されます。しかし、コンデンサとは異なり、スーパーキャパシタの内部は、特定の方向にのみ回転して分極し、逆電界を生成する誘電体分子ではなく、陰イオンと陽イオンを含む電解質です。そのため、電解液中の陽イオンは負極側に集まり、負極板と「二重層」を形成します。同様に陰イオンは正極側に移動し、正極板と「二重層」を形成します[1-2] 。

図3 左図はスーパーキャパシタ構造の概略図であり、デバイスの放電状態を示しています。右の図は電極の比表面積を増やす方法を示している[3]

各二重電気層は、移動するイオンと電極の間に形成される「コンデンサ」とみなすことができます。イオンと電極間の距離が非常に近い（nmスケール）ため、式（5）のdは大幅に減少します。同時に、多孔質、コアシェルなどの電極材料構造を構築することにより、電極材料の比表面積を大幅に増加させることができ、Sの飛躍的な向上を実現できます。したがって、Sが増加し、dが減少すると、スーパーキャパシタのCは自然に劇的に増加します。

図4 スーパーキャパシタの二重層原理と一般的な3種類の擬似キャパシタ[4]

二重電気層を使用して「スーパー」効果を実現するために誘電体の代わりに電解質を使用するだけでなく、「疑似コンデンサ」戦略もスーパーコンデンサの容量をさらに高めるための重要な方法です。

「疑似」とは、その名の通り、偽物のことです。電荷蓄積二重単分子層の原理を実際に利用して電荷を蓄えるわけではありませんが、コンデンサに似た特性を持っています。 「擬似容量」には、還元電位が低い電極表面にイオンを吸着させて追加の電荷を蓄積する低電位日和見戦略など、3 つの共通原理が含まれます。最も広く使用されているのは、物理的な電荷の蓄積だけに頼るのではなく、電極界面での酸化還元反応を利用して追加の電気エネルギーを蓄える方法です。例えば、二酸化ルテニウムや二酸化マンガンなどの電極材料では、ルテニウムとマンガン元素が電子を獲得したり失ったりすることで価数の変化を実現し、それによって材料表面に追加の電荷を運ぶことができるため、容量が大幅に増加する効果が得られます。さらに、リチウムイオン電池の原理に似たイオン挿入方式で電極に追加の電荷を蓄える方法もあります。上記の擬似容量戦略はすべて、追加の化学反応を通じてスーパーキャパシタの電荷を蓄える能力を高め、スーパーキャパシタを包括的な物理的および化学的原理に基づいてエネルギーを蓄える代表的なデバイスにしていることがわかります。

現在、スーパーキャパシタのエネルギー密度は40Wh/kgに達し、鉛蓄電池のエネルギー密度を上回っています。リチウムイオン電池（リチウムイオン電池は300Wh/kgに達する）と比較するとまだ大きな差がありますが、スーパーキャパシタは電池とキャパシタの特性を組み合わせ、急速充放電に独自の利点があるため、今日の生産と生活で広く使用されています。例えば、上海の930番バスでは、電源装置としてスーパーキャパシタが使用されています。バスはプラットフォームに停車して乗客を乗降させるときに素早く充電でき、その後、補助エネルギーを使用して次の駅まで簡単に走行し、充電を続けることができます。充電ステーションでの充電プロセスが不要なため、車は効率的に動作し、リチウムイオン電池の潜在的な安全上の問題を回避します。スーパーキャパシタは高出力特性を備えているため、リチウムイオン電池と併用することで容量と出力の利点を組み合わせることができ、電力網のピーク調整、エネルギー貯蔵、車両の始動などの分野で徐々に使用されるようになっています。スーパーキャパシタは、将来、すぐに消費者向け電子機器に採用されるようになると私は信じています。カメラのフラッシュであれ、運命の人に戦いを命じるゲームコントローラーの強力な振動であれ、スーパーキャパシタの高出力特性は、ユーザーにさらに親密な体験を与えることができます。

結論

バッテリー、コンデンサ、スーパーコンデンサーのいずれであっても、電気エネルギーを貯蔵する方法を科学者が継続的に探究し、考え、試行錯誤した結果生まれたものです。また、科学技術の継続的な発展により、電気エネルギー貯蔵に関する物理学と化学の境界は長い間曖昧になっていることもわかりました。さまざまな分野の知識を総合的に活用して人類がより優れた電気エネルギー貯蔵装置を開発できるようにすることは、学術界が引き続き努力している方向であり、人々の増大するエネルギー需要を満たす唯一の方法でもあります。

「スーパーキャパシタ」を手に持つ孫悟空

参考文献

[1] JM Crow、急速充電スーパーキャパシタ、Chemistry World

[2] 化学。 Rev.2022、122、12、10821–10859。

[3] 化学。社会Rev., 2014, 43, 3303.

[4] 化学。 Rev.2018、118、18、9233–9280。

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