バッテリーの代わりにコンデンサー：技術的な解決策。 スーパーキャパシタはバッテリーを交換できますか

電気容量 地球、物理学のコースからご存知のように、約700uFです。 この容量の従来のコンデンサは、重量と体積をレンガと比較できます。 しかし、地球の電気容量を備えた、砂粒と同じサイズのコンデンサー、つまりスーパーキャパシターもあります。

このようなデバイスは、比較的最近、20年前に登場しました。 それらは異なって呼ばれます：スーパーキャパシター、イオニスター、または単にスーパーキャパシター。

それらがいくつかの高空飛行の航空宇宙会社だけに利用可能であるとは思わないでください。 今日、あなたはコインのサイズと1ファラッドの容量のスーパーキャパシタを店で買うことができます。これは地球の容量の1500倍であり、太陽系で最大の惑星である木星の容量に近いものです。

どのコンデンサもエネルギーを蓄えます。 スーパーキャパシターに蓄えられたエネルギーの大きさを理解するには、それを何かと比較することが重要です。 これはやや珍しいですが、視覚的な方法です。

通常のコンデンサのエネルギーは、約1メートル半ジャンプするのに十分です。 1Vの電圧で充電された重量0.5gの小さなスーパーキャパシタタイプ58-9Vは、293mの高さにジャンプする可能性があります。

スーパーキャパシタはどのバッテリーでも交換できると考えられることがあります。 ジャーナリストは、スーパーキャパシターを搭載したサイレント電気自動車で未来の世界を描きました。 しかし、これはまだそれからほど遠いです。 重量1kgのイオニスタは3000Jのエネルギーを蓄えることができ、最悪の鉛蓄電池（86 400 J）は28倍です。 しかし、反動すると ハイパワー短時間でバッテリーは急速に劣化し、半分しか放電されません。 一方、イオニスタは、接続ワイヤだけがそれらに耐えることができれば、繰り返し、それ自体に害を与えることなく電力を放出します。 さらに、スーパーキャパシターは数秒で充電でき、バッテリーは通常数時間かかります。

これにより、スーパーキャパシタの適用分野が決まります。 電子機器、懐中電灯、カースターター、電気削岩機など、短時間で大量の電力を消費するデバイスの電源としては適していますが、多くの場合は十分です。 スーパーキャパシタは、電磁兵器の電源として軍事目的にも使用できます。 また、小さな発電所と組み合わせることで、スーパーキャパシターを使用すると、電気ホイール駆動で燃料消費量が100 kmあたり1〜2リットルの車を作成できます。

さまざまな容量と動作電圧のイオニスタが販売されていますが、高価です。 したがって、時間と興味があれば、自分でイオニスターを作ってみることができます。 しかし、具体的なアドバイスをする前に、少し理論を立ててください。

電気化学から知られています。金属を水に浸すと、その表面にいわゆる二重電気層が形成され、反対の電荷（イオンと電子）で構成されます。 相互引力はそれらの間で作用しますが、告発は近づくことができません。 これは、水と金属分子の引力によって妨げられます。 基本的に、電気二重層はコンデンサにすぎません。 その表面に集中する電荷はプレートの役割を果たします。 それらの間の距離は非常に小さいです。 そして、ご存知のように、コンデンサの静電容量は、プレート間の距離が短くなるにつれて増加します。 したがって、例えば、水に浸した従来のスチールスポークの容量は数mFに達します。

本質的に、イオニスタは、電解質に浸された非常に大きな面積を持つ2つの電極で構成され、その表面に、印加電圧の作用下で電気二重層が形成されます。 確かに、通常の平板を使用すると、わずか数十mFの静電容量を得ることが可能です。 イオニスタ特有の大容量を得るために、細孔表面が大きく外形寸法が小さい多孔質材料で作られた電極が使用されています。

この役割のために、チタンからプラチナまでの海綿状の金属がやがて試されました。 しかし、それは他の誰よりも比類のないほど優れていることが判明しました...通常の活性炭。 これは木炭で、特殊な処理を行うと多孔質になります。 そのような石炭の1cm3の細孔表面積は数千平方メートルに達し、それらの二重電気層の容量は10ファラドです！

自家製スーパーキャパシタ図1は、スーパーキャパシタの設計を示しています。 これは、活性炭の「充填物」にしっかりと押し付けられた2枚の金属板で構成されています。 石炭は2つの層に配置され、その間に電子を伝導しない物質の薄い分離層があります。 これはすべて電解質で飽和しています。

スーパーキャパシターが充電されると、表面に電子があり、その半分が石炭の細孔にあり、もう一方が陽イオンである二重電気層が形成されます。 充電後、イオンと電子は互いに向かって流れ始めます。 それらが出会うと、中性の金属原子が形成され、蓄積された電荷は減少し、時間の経過とともに、一般的には無になります。

これを防ぐために、活性炭層の間に分離層が導入されています。 それは、さまざまな薄いプラスチックフィルム、紙、さらには脱脂綿で構成することができます。
アマチュアイオニスタでは、電解液は25％塩化ナトリウム溶液または27％KOH溶液です。 （低濃度では、正極上にマイナスイオン層は形成されません。）

電極には、事前にはんだ付けされたワイヤーが付いた銅板が使用されます。 それらの作業面は酸化物を除去する必要があります。 この場合、傷が残る粗いサンドペーパーを使用することをお勧めします。 これらの引っかき傷は、銅への木炭の接着を改善します。 良好な接着のために、プレートは脱脂する必要があります。 プレートの脱脂は2段階で行われます。 まず石鹸で洗い、次に歯磨き粉でこすり、水で洗い流します。 その後、指で触れないでください。

薬局で購入した活性炭を乳鉢で粉砕し、電解液と混合して濃厚なペーストを作り、丁寧に脱脂したプレートに広げます。

最初のテストでは、紙パッド付きのプレートを重ねて配置し、その後、充電を試みます。 しかし、ここには微妙な点があります。 1 Vを超える電圧では、ガスH2、O2の放出が始まります。 それらはカーボン電極を破壊し、デバイスがスーパーキャパシタモードで動作するのを防ぎます。

したがって、1 V以下の電圧で電源から充電する必要があります（産業用スーパーキャパシタの動作に推奨されるのは、プレートの各ペアのこの電圧です）。

好奇心旺盛な人のための詳細

1.2 Vを超えると、スーパーキャパシタはガスアキュムレータに変わります。 これも興味深いデバイスで、活性炭と2つの電極で構成されています。 しかし、構造的には異なって作られています（図2を参照）。 通常、彼らは古い電気化学セルから2本のカーボンロッドを取り出し、それらの周りに活性炭のガーゼバッグを結びます。 KOH溶液は電解質として使用されます。 （分解時に塩素が放出されるため、塩化ナトリウム溶液は使用しないでください。）

ガスアキュムレータのエネルギー容量は、36,000 J / kg、つまり10 Wh / kgに達します。 これはスーパーキャパシタの10分の1ですが、従来の鉛蓄電池の2.5分の1です。 しかし、ガス蓄電池は単なる蓄電池ではなく、非常にユニークな燃料電池です。 それが充電されると、ガスが電極上に放出されます-酸素と水素。 それらは活性炭の表面に「定着」します。 負荷電流が現れると、それらは接続されて水と電流を形成します。 ただし、このプロセスは、触媒がないと非常に時間がかかります。 そして、結局のところ、触媒になることができるのは白金だけです...したがって、イオニスターとは異なり、ガスアキュムレータは大電流を生成できません。

それにもかかわらず、モスクワの発明者A.G. Presnyakov（http：//chemfiles.narod .r u / hit / gas_akk.htm）は、ガスアキュムレータを使用してトラックエンジンを始動することに成功しました。 この場合、その固い重量（通常のほぼ3倍）は許容範囲内でした。 しかし、低コストで、酸や鉛などの有害物質がないことは非常に魅力的であるように思われました。

最も単純な設計のガスアキュムレータは、4〜6時間で自己放電を完了する傾向があることが判明しました。 これで実験は終わりました。 一晩滞在した後、始動できない車が必要なのは誰ですか？

それでも、「ビッグテクノロジー」はガスアキュムレータを忘れていません。 強力で軽量で信頼性が高く、一部の衛星に搭載されています。 それらのプロセスは約100気圧の圧力下で行われ、スポンジ状のニッケルがガス吸収体として使用され、そのような条件下で触媒として機能します。 デバイス全体が超軽量カーボンファイバーシリンダーに収納されています。 その結果、鉛蓄電池の約4倍のエネルギー容量を持つ電池ができあがります。 電気自動車は約600km走行できます。 しかし、残念ながら、それらはまだ非常に高価です。

セルゲイ・アスマコフ

近年、私たちはデジタル技術の急速な発展に慣れてきました。 しかし、コンポーネントのいくつかのカテゴリ（マイクロプロセッサやメモリモジュールなど）が本当に宇宙の速度で実際に改善している場合、他の多くの分野では進歩はそれほど目立ちません。 後者には充電式電源が含まれます。 そしてそれは確かに作成します 特定の問題、これらのコンポーネントの特性は、バッテリー寿命、再充電時間、最終製品のサイズと重量などの重要なパラメーターに影響を与えるためです。

電源選択の微妙さ

現在、携帯型電子機器はいくつかの電源を使用しています 他の種類..。 この多様性は開発者の気まぐれではありませんが、完全に論理的な説明があります。 たとえば、スマートフォン、タブレット、ラップトップなどのモバイルデバイスの場合、優先順位は特定のエネルギー強度（つまり、バッテリーの単位体積あたりに蓄積されるエネルギー量）です。 このインジケーターが高いほど、同じ物理的寸法のバッテリー容量が多くなります。 したがって、より高い比エネルギー密度のバッテリーを取り付けると、サイズを大きくすることなくモバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすことができます。これは、可能な限り薄いケースでのガジェットの現在の流行を考えると、非常に重要です。 そのため、現代のスマートフォンやタブレットはリチウムイオンとリチウムポリマーを使用しています 充電式電池、現在、比エネルギー強度の点で小型充電式電源のカテゴリーでリードしています。

ただし、ワイヤレスを開発する場合 周辺機器優先順位は完全に異なります。 ワイヤレスマウスやキーボードの消費電力レベルは同じスマートフォンに比べて低いため、この場合、記録的な高消費電力の電源を緊急に使用する必要はありません。 また、重量や寸法に厳密な制限はありません。 したがって、多くの場合、開発者は、最もコンパクトではないにしても、より軽量および/またはより安価な電源を選択します。

何年にもわたって、標準の単三電池または単三電池で駆動されるワイヤレス周辺機器のシェアが増加する傾向が着実に進んでいるのは偶然ではありません。 このソリューションの最も明らかな利点は、手頃な価格と最大限の使いやすさです。 標準電池はほぼすべての店舗で購入できます。 また、バッテリーが完全に放電したら、新しいバッテリーと交換するだけで、すぐに作業を続けることができます。 追加のケーブル、充電器などは必要ありません。 彼らが言うように、安くて陽気な。

この観点から、ワイヤレス周辺機器での充電式バッテリーの使用はあまり便利ではないように見えます。 充電には 一定時間（通常2〜3時間）同時に、すべてのモデルの設計では、外部電源が接続されている場合でも作業を継続できます。 結果として、ユーザーは次のことを行うためにバッテリーレベルインジケーターを監視する必要があります。 ワイヤレスマウスまたは、キーボードが最も不適切な瞬間にオフにならなかった。

ワイヤレス周辺機器のメーカーのバッテリー電源への移行を加速させたもう1つの要因は、開発者が近年達成した電子部品のエネルギー消費レベルを削減する分野での大きな進歩です。 ワイヤレスマウスとキーボードの最新モデルは、1セットのバッテリーで少なくとも数週間または数か月間動作することができます。 したがって、積極的に使用しても電池を交換する必要はほとんどありません。

当然、価格も重要です。 非常に高価なリチウムイオン電池とリチウムポリマー電池を取り付けると、必然的にデバイスのコストが上昇します。 そして、これは約20〜30ドルのモデルになると非常に重要です。さらに、これらのタイプの充電式バッテリーのリソースは限られており、通常は500〜1000回の充放電サイクルです。 したがって、集中的に使用すると、デバイスのライフサイクルを制限する重要な要素となるのはバッテリリソースです。

そのため、バッテリーは安価で手頃な価格で便利です。 理想的ではないもの ワイヤレスキーボードまたはマウス？ ただし、バッテリーには欠点もあることを忘れないでください。バッテリーはデバイスの重量を著しく減らし（ワイヤレスマウスの場合は非常に重要になる可能性があります）、さらに、まれではありますが、時々交換する必要があります。 開発者は代替オプションとして何を提供できますか？

まだ忘れられていない古い

最も有望なオプションの1つは、スーパーキャパシター、またはスーパーキャパシターと呼ぶ方が正しいので、スーパーキャパシターです（英語を話す著者は、これらの要素を表すために略語EDLCを使用することがよくあります。これは、電気二重層キャパシターの略です）。 スーパーキャパシタの最初のサンプルは、50年以上前に作成されました。 現在、それらは主電源およびバックアップ電源として多くの電化製品（特にポケットトーチ、懐中電灯など）で使用されています。 さらに、スーパーキャパシタは、その特性により、現在生産されている多くの電気自動車やハイブリッド発電所を備えた運動エネルギー回生システムの理想的なエネルギー貯蔵装置です。

リチウムイオンおよびリチウムポリマー電池と比較したスーパーキャパシタの最も重要な利点は、高い充電速度、効率、および膨大なリソースです。

スーパーキャパシタは貯蔵することができます たくさんの短時間のエネルギーで、再充電時間を最小限に抑えます。 さらに、スーパーキャパシタは高効率が特徴です。 最新のリチウムイオン電池が充電に費やされる電力の約60％しか供給できない場合、スーパーキャパシターの場合、この数値は90％を超えます。

もう1つの重要な利点は、膨大なリソースです。 リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池では、数百回の充放電サイクル後に大幅な劣化（初期値に比べて容量が減少）が見られます。 また、スーパーキャパシタは、数万サイクルのオーダーの目立った劣化なしに耐えることができます。

その他の利点には、低比重と環境への配慮が含まれます。 スーパーキャパシターを構成する材料の毒性が低いため、リチウム、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、鉛蓄電池よりも廃棄がはるかに簡単で安全です。

おそらくここで、読者は完全に自然な質問をするでしょう：そのような素晴らしい電源が半世紀以上知られているのなら、なぜそれらはまだデジタルデバイスに普及していないのですか？ 事実は、上記の利点に加えて、スーパーキャパシタには独自の欠点があります。 それらの中で最も重要なのは、かなり低い比エネルギー消費、非線形放電曲線、および高い自己放電電流です。

最新のスーパーキャパシタに蓄積されたエネルギーの比重の指標は、体積1リットルあたり7〜9Whです。 比較のために：現在製造されているリチウムイオン電池の場合、このインジケーターは1リットルあたり250〜400Whの範囲で変化します。

スーパーキャパシタは自己放電電流が大きいため、長期間の電力貯蔵には適していません。 さらに、スーパーキャパシタの放電曲線は非線形です。出力電圧は残りの電荷に依存します。

上記の理由により、現在製造されているスーパーキャパシタは、 モバイルデバイス、ここで、バッテリーのサイズとエネルギー容量の比率が最も重要です。 ただし、ワイヤレス周辺機器の場合、スーパーキャパシタは使い捨て電池の興味深い代替品です。

この場合、高充電率や高効率などのスーパーキャパシタの特性が役立ちます。 ワイヤレスマウスまたはキーボードの所有者は、リチウム電池を搭載したデバイスの場合のように、2〜3時間待つ必要はありません。充電には数分しかかかりません。 この間、エネルギーの蓄えを蓄積することができます。これは、数時間のアクティブな作業に十分であり、あまり集中的に使用することなく、1日中でも十分です。 たとえば、スーパーキャパシターを内蔵したGenius DX-ECOワイヤレスマウスのフル充電サイクルはわずか5分で、この間に蓄積されたエネルギーは4時間の作業に十分です。

もちろん、スーパーキャパシタを搭載したワイヤレスデバイスを毎日（そしておそらくもっと頻繁に）充電する必要があります。 ただし、すでに述べたように、この手順には数分しかかかりません。コーヒーを飲むのに十分な時間か、コンピューターから少し気を散らすだけです。 また、スーパーキャパシタには膨大なリソースがあるため、毎日数回充電しても、デバイスの耐用年数は少なくとも10年になります。

リチウム電池や従来の電池と比較したスーパーキャパシタの重要な利点は、その重量が著しく軽いことです。 これは、スーパーキャパシタを備えた同じワイヤレスマウスは、有線のマウスよりもわずかに重いだけであることを意味します。

展望

したがって、スーパーキャパシタは、高い充電率とエネルギー効率、および膨大なリソースを備えています。 材料の毒性が低いため、リチウム電池よりもはるかに簡単で安価に廃棄できます。 この特性の組み合わせにより、スーパーキャパシタは、ワイヤレス周辺機器の充電式自律電源として使用するための非常に有望なオプションになります。 また、充電のためにケーブルを頻繁に接続する必要がある場合、この問題はワイヤレス充電器を使用することで簡単に解決できます。特に、このようなソリューションがマスマーケットに登場し始めているためです。

新しい材料の導入のおかげで、将来的には、（現在製造されているものと比較して）はるかに高い比重の蓄積エネルギーを備えたスーパーキャパシタを作成することが可能になります。 専門家は、グラフェンスーパーキャパシタの開発に大きな期待を寄せています。 この革新的な材料の使用により、近い将来、1リットルあたり約60Whの蓄積エネルギーの比重を持つサンプルを作成できるようになります。 もちろん、これは最新のリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池に比べて大幅に少ないですが、すでに鉛蓄電池の特性とかなり同等です。 そして、グラフェンスーパーキャパシタの量産展開により、これらの電源の範囲が大幅に拡大することは間違いありません。 ワイヤレスマニピュレーターやキーボードだけでなく、ポータブルも装備できます 音響システムだけでなく、ソース 無停電電源装置低電力。

ウルトラキャパシターまたは二重層キャパシターとしても知られるスーパーキャパシターは、非常に大きな静電容量を持っているという点で従来のキャパシターとは異なります。 コンデンサは、バッテリーの電気化学反応とは対照的に、静電荷によってエネルギーを蓄積します。 正極板と負極板の間に差動電圧を印加すると、コンデンサが充電されます。 これは、摩擦中の静電気の蓄積に似ています。 コンデンサープレートに触れるとエネルギーが放出されます。

コンデンサには3種類あり、主なものは乾式セパレータ静電コンデンサです。 この古典的なコンデンサモデルは静電容量が非常に小さく、主に電子機器で使用されます。 コンデンサの静電容量はファラッドで測定され、静電容量の場合はピコファラッド（pF）の範囲で変動します。

次のタイプのコンデンサは電解コンデンサで、静電容量に比べて高い静電容量を提供し、マイクロファラッド（μF）で評価されます。これは100万倍のピコファラッドです。 これらの湿式コンデンサーのセパレーター。 電池と同様に、コンデンサには異なる極があり、使用中に注意する必要があります。

3番目のタイプはスーパーキャパシターで、その容量はファラッドで見積もられ、電解コンデンサーの容量の数千倍です。 スーパーキャパシタは、大電流と短時間で頻繁に充電/放電サイクルを受けるエネルギーを蓄積するために使用されます。

静電容量を測定するための単位はファラッドで、英国の物理学者Michael Faraday（1791-1867）にちなんで名付けられました。 1ファラッドは、1ボルトの電圧で1クーロンの電荷を蓄積します。 1つのマイクロファラッドはファラッドの100万分の1であり、ピコファラッドはマイクロファラッドの100万分の1です。

ゼネラルエレクトリックのエンジニアは、1957年にスーパーキャパシタの初期バージョンの実験を開始しましたが、これらの開発は商業的な関心を生み出しませんでした。 1966年、Standart Oilは、実験的な燃料電池の設計に取り組んでいるときに、誤って2層コンデンサの影響を再発見しました。 2層構造により、エネルギー貯蔵容量が大幅に向上しました。 この技術は再び商業化されず、1990年代にのみその応用が見出されました。

スーパーキャパシタの開発は、電気化学電流源の技術と密接に絡み合っており、そこから特別な電極と電解質が借用されました。 基本的な電気化学二重層コンデンサ（EDLC）は静電作用に依存しますが、非対称二重層電気化学コンデンサ（AEDLC）は、バッテリーのような電極を使用してより高いエネルギー密度を取得しますが、これによりライフサイクルが制限され、電気化学的電流源。 使用するのは有望に見えます グラフェン電極材料としてですが、この方向での研究はまだ進行中です。

多くの種類の電極が試されてきましたが、今日最も一般的な電気化学二重層スーパーキャパシタシステムは、有機電解質を使用したカーボンベースのバージョンです。 このようなスーパーキャパシタの明白な利点は、その製造の容易さです。

すべてのコンデンサには電圧制限があります。 静電コンデンサは高電圧ですが、スーパーキャパシタは2.5〜2.7 Vに制限されています。このレベルを超える電圧を上げることは可能ですが、寿命に悪影響を及ぼします。 したがって、より高い電圧を得るには、 シリアル接続いくつかのスーパーキャパシタ。 次に、直列接続は全体の静電容量を減少させ、内部抵抗を増加させます。 3つ以上のコンデンサをこのように接続するには、個々のセルの過電圧を回避するために追加のバランス調整が必要です。 リチウムイオン電池保護システムも同様の方法で実装されています。

公称電圧が6V、カットオフ電圧が4.5 Vの電流源を使用します。この電流源がスーパーコンデンサの場合、放電の線形性により、最初のカットオフポイントに到達します。サイクルの4分の1、エネルギーリザーブの残りの4分の3は使用できなくなります... もちろん、電圧コンバーターを追加で使用することもできます。これにより、低電圧値の電源を使用できるようになりますが、これによりコストが増加し、エネルギー損失が発生します。 電池は比較的直線状の放電グラフを持っており、蓄えられたエネルギーの90〜95％を使用することができます。

図1と図2は、スーパーキャパシタの充電および放電中の電流と電圧の特性を示しています。 充電時には電圧が直線的に上昇し、コンデンサが完全に充電されると電流が低下するため、完全充電検出システムを使用する必要もありません。 放電すると、電圧も直線的に減少します。 電圧が低下したときに一定レベルの消費電力を維持するために、電圧変換器はますます多くの電流を引き込みます。 負荷要件を満たせなくなると、放電に達します。

図1：スーパーキャパシタの充電特性。電圧は一定の充電電流レベルで直線的に上昇します。 コンデンサがいっぱいになると、充電電流が低下します。

図2：スーパーキャパシタの放電特性。放電中、電圧は直線的に減少します。 オプションの電圧変換器は特定の電圧定格を維持できますが、これにより放電電流定格が増加します。

スーパーキャパシタの充電時間は1〜10秒です。 充電特性は電気化学電池と同様であり、許容アンペア数によって大きく制限されます。 充電器..。 スーパーキャパシタは、その容量を超えて充電することはできません。その結果、完全な充電検出システムは必要ありません。電流が流れるのを停止するだけです。

表3は、スーパーキャパシタと標準のリチウムイオン電池を比較したものです。

表3：スーパーキャパシタとリチウムイオン電池の性能の比較。

スーパーキャパシタは、ほぼ無制限の回数の充電と放電が可能です。 特定のサイズのライフサイクルを持つ電気化学バッテリーとは異なり、スーパーキャパシターはサイクル動作の影響をほとんど受けません。 材料の劣化に関連する加齢に伴う変化も、材料の影響を弱くします。 通常の状態では、10年間の動作後のスーパーキャパシタの容量は公称値の80％のままです。 ただし、高電圧で作業すると、寿命が短くなる可能性があります。 また、温度インジケーターの観点からのスーパーキャパシターの利点、つまりすべての電気化学電源の弱点にも注目する価値があります。

スーパーキャパシタの自己放電は、従来のキャパシタの場合ははるかに高く、電気化学電池の自己放電をわずかに上回っています。 この高い自己放電は、主に有機電解質の特性によるものです。 比較のために、スーパーキャパシタは30〜40日で蓄積されたエネルギーの半分を失いますが、鉛とリチウム電池は月にわずか5％しか自己放電しません。

スーパーキャパシタの適用

スーパーキャパシタは、短期間の電力要件が発生し、可能性がある場合に理想的な選択肢です。 急速充電..。 対照的に、電気化学電池は、比較的長期間の電源を提供するように最適化されています。 2つのシステムを組み合わせてハイブリッド電源にすることで、それぞれの長所を活用できます。 このようなハイブリッドは、たとえば、スーパーキャパシタと 鉛酸電気化学システム .

スーパーキャパシタは、数秒から数分間電力を供給する必要があり、急速に充電できるシステムでの用途があります。 フライホイール（慣性バッテリー）は同様の品質を備えているため、スーパーキャパシターは、特定のプロセス、たとえば運輸部門で、フライホイールの代替として機能することができます。

ロングアイランド鉄道（LIRR）に電力を供給するために、2MWのスーパーキャパシタシステムと2.5MWのフライホイールシステムの試験が現在進行中です。 これらのテストの目的は、加速中の電圧低下の問題の解決策を見つけることです。 どちらのシステムも、特定の電力の電力を30秒間途切れることなく供給し、同じ時間充電する必要があります。 主な要件は、10％以下の範囲の電圧変動、低い運用コスト、および少なくとも20年の耐久性です。 （これまでのところ、フライホイールはより耐久性があり経済的であると考えられているため、より多くの関心を集めていますが、テストはまだ進行中です。）

日本はまた、スーパーキャパシタの使用に関する研究と開発を積極的に行っています。 建物にはすでに4MWのシステムが設置されており、その目的はピーク時の電力網への負荷を軽減することです。 停電からバックアップ発電機の始動までの間に短期間の電力供給を提供するシステムもあります。

スーパーキャパシタ技術は、電気輸送の分野にも浸透することができました。 ブレーキ力で充電する能力と高い加速電流を提供する能力は、スーパーキャパシターをハイブリッド車や電気自動車にとって非常に興味深いものにします。 広い動作温度範囲と耐久性により、この分野の電気化学電池よりも優れています。

しかし、低エネルギー密度や高コストなどのスーパーキャパシタの欠点により、一部の開発者は同じコストでより大きなバッテリを選択するようになりました。 表4は、スーパーキャパシタの長所と短所をまとめたものです。

今日、バッテリー技術は大幅に進歩し、過去10年間よりも洗練されています。 しかし、それでも、今のところ、充電式電池は資源が不足しているため、消耗品のままです。

エネルギーを貯蔵および貯蔵するためにコンデンサを使用するという考えは新しいものではなく、最初の実験は電解コンデンサを使用して実施されました。 電解コンデンサの容量はかなり大きくなる可能性があります-数十万マイクロファラッドですが、それでも長時間負荷を供給するのに十分ではありませんが、大きなものではありません。さらに、設計上の特徴により、かなりの漏れ電流があります。

現代の技術は静止しておらず、スーパーキャパシターが発明されました。これはコンデンサーであり、ファラッドの単位から数万ファラッドまでの超大容量を備えています。 ファラッドコンデンサは、マイクロコントローラなどの低電流回路に無停電電源装置を提供するために、ポータブル電子機器で使用されます。 数万ファラッドの容量を持つスーパーキャパシタは、さまざまな電気モーターに電力を供給するためにバッテリーと組み合わせて使用​​されます。 この組み合わせにより、スーパーキャパシタはバッテリーの負荷を軽減し、バッテリーの寿命を大幅に延ばすと同時に、ハイブリッドエンジンの電源システムが供給できる始動電流を増加させます。

温度センサーのバッテリーを交換しないように、温度センサーに電力を供給する必要がありました。 センサーは単三電池で駆動され、40秒に1回気象観測所にデータを送信するためにオンになります。 送信時、センサーは2秒間に平均6mAを消費します。

太陽電池とスーパーキャパシタを使用するというアイデアが生まれました。 センサーの特定された消費特性に基づいて、次の要素が採用されました。
1.太陽電池5ボルト、電流約50mA（ソビエト製太陽電池約15年）
2.スーパーキャパシタ：パナソニック5.5ボルトと1ファラッド。
3.イオニスター2個：DMF5.5ボルトおよび合計容量1ファラッド。
4.低電流0.3Vでの直接電圧降下を伴うショットキーダイオード。
ショットキーダイオードは、ソーラーパネルからの容量の放電を防ぐために不可欠です。
スーパーキャパシタは並列に接続されており、総静電容量は2ファラッドです。

写真1。

実験＃1-マイクロコントローラーをモノクロLCDディスプレイに接続し、総消費電流は500μAでした。 ディスプレイ付きのマイクロコントローラーは機能しましたが、古い太陽電池は非常に効果がなく、日陰の充電電流はスーパーキャパシターをまったく充電するには不十分であり、日陰の5ボルトの太陽電池の電圧は2未満でした。ボルト。 （何らかの理由で、ディスプレイ付きのマイクロコントローラーは写真に表​​示されていません）。

実験＃2
成功の可能性を高めるために、私はラジオ市場から、2 V、40 mA、100 mAの電流を流し、光学樹脂を充填した中国製の新しい太陽電池を購入しました。 比較のために、日陰にあるこれらのバッテリーはすでに1.8ボルトを放出し、大きな充電電流はありませんが、それでもはるかに優れた充電スーパーキャパシターです。
すでに構造をはんだ付けしている 新しいバッテリー、ショットキーダイオードとコンデンサを使って、コンデンサが充電されるように窓辺に置きます。
日光がバッテリーに直接当たらないという事実にもかかわらず、10分後にコンデンサーは1.95 Vに充電されました。彼は温度センサーを取り、バッテリーを取り外し、スーパーキャパシターとソーラーバッテリーをバッテリーコンパートメントの接点に接続しました。

写真2。

温度センサーはすぐに作動を開始し、室温を気象観測所に送信しました。 センサーが作動していることを確認した後、太陽電池付きのコンデンサーを取り付けて、所定の位置に吊るしました。
次に何が起こったのですか？
センサーは1日のすべての日中は正常に機能していましたが、暗くなると1時間後に、センサーはデータの送信を停止しました。 明らかに、1時間のセンサー操作でも蓄積された電荷が十分ではなかったので、その理由が明らかになりました...

実験＃3
スーパーキャパシター（2ファラッドのスーパーキャパシターアセンブリを返却）が完全に充電されるように、設計を少し変更することにしました。 私は3つのセルのバッテリーを組み立てました、それは6ボルトと40mAの電流を出しました（完全な太陽の照明の下で）。 日陰にあるこのバッテリーは、以前の1.8 V（写真1）と最大2mAの充電電流の代わりにすでに最大3.7Vを与えました。 したがって、スーパーキャパシタは3.7 Vまで充電され、実験No.2と比較してすでにはるかに多くの蓄積エネルギーを持っていました。

写真3。

すべて問題ありませんが、出力には最大5.5 Vがあり、センサーは1.5Vから電力を供給されます。DC/ DCコンバーターが必要であり、これにより追加の損失が発生します。 私が在庫していたコンバーターは約30μAを消費し、出力で4.2Vを与えました。近代化された設計から温度センサーに電力を供給するために必要なコンバーターを見つけることができるまで。 （トランスデューサーを選択して実験を繰り返す必要があります）。

エネルギー損失について：
スーパーキャパシタには自己放電電流があることを前述しましたが、この場合、2ファラッドのアセンブリの場合は50μAであり、DC / DCコンバータの4％程度の損失がここに追加されます（宣言された効率は96％）であり、そのアイドル速度は30μAです。 変換損失を考慮しない場合、すでに約80μAの消費があります。
5.5Vに充電され2.5Vに放電される2ファラッドの容量を持つスーパーキャパシタは、いわゆる「バッテリ」容量が1 mAであることが実験的に確立されているため、特に省エネに注意する必要があります。 つまり、スーパーキャパシタから1 mAを1時間消費することで、5.5Vから2.5Vに放電します。

直射日光による充電率について：
太陽電池から引き出される電流は、 より良いバッテリー直射日光に照らされています。 したがって、スーパーキャパシタの充電率は大幅に増加します。

写真4。

マルチメータの読み取り値（0.192 V、初期読み取り値）から、2分後にコンデンサが1.161 Vに充電され、5分後に3.132 Vに充電され、さらに10分後に5.029Vに充電されました。17分以内にスーパーキャパシタが充電されました。 90％。 ソーラーパネルの照明は全体を通して不均一であり、二重窓ガラスを通して発生し、 保護フィルム電池。

実験＃3テクニカルレポート
レイアウト仕様：
-ソーラーバッテリー12セル、6 V、電流40 mA（完全な日光曝露下）（曇りの日陰で3.7 V、電流1 mA、スーパーキャパシターに負荷がかかる）。
-スーパーキャパシタは並列に接続され、総静電容量は2ファラッド、許容電圧は5.5 V、自己放電電流は50μAです。
-順方向電圧降下が0.3Vのショットキーダイオード。電源を太陽電池とスーパーキャパシタから切り離すために使用されます。
-レイアウトの寸法55x 85 mm（プラスチックカードVISA）。
このレイアウトからパワーアップすることができました：
LCDディスプレイ付きマイクロコントローラー（消費電流は5.5 Vで500μA、太陽電池なしの動作時間、約1.8時間）。
温度センサー、太陽電池を使用した日中、40秒ごとに2秒間6mAの消費。
LEDは、太陽電池なしで平均電流60mAで60秒間点灯しました。
DC / DC電圧コンバーターもテストされ（安定した電源のため）、60秒以内に60mAと4Vを得ることができました（スーパーキャパシターが太陽電池なしで5.5Vまで充電されたとき）。
得られたデータは、この設計のスーパーキャパシタの容量が約1 mAであることを示しています（最大2.5 Vの放電で太陽電池から再充電しない場合）。

結論：
この設計により、マイクロ消費デバイスの連続電源供給用のコンデンサにエネルギーを蓄積できます。 コンデンサ容量の2ファラッドあたり1mAの累積容量は、暗所で10時間低消費でマイクロプロセッサの操作性を確保するのに十分なはずです。 この場合、負荷による電流損失と消費の合計は100μAを超えてはなりません。 日中、スーパーキャパシタは日陰でも太陽電池から再充電され、最大100mAの電流でパルスモードで負荷を供給することができます。

記事のタイトルで質問に答えます- スーパーキャパシタはバッテリーを交換できますか？
-置き換えることができますが、これまでのところ、消費電流と負荷の動作モードに大きな制限があります。

短所：

• エネルギーリザーブの容量が小さい（スーパーキャパシタの静電容量の2ファラッドごとに約1 mA）
• コンデンサの大きな自己放電電流（1日あたり約20％の容量の損失）
• 構造の寸法は、太陽電池とスーパーキャパシタの総容量によって決まります。

• 化学元素（電池）を着用しない
• 動作温度範囲は摂氏-40度から+60度です。
• デザインのシンプルさ
• 高コストではない

写真5。

ボードの片側には太陽電池があり、反対側にはスーパーキャパシターとDC / DCコンバーターのアセンブリがあります。

仕様：

• 太陽電池12セル、6 V、電流60 mA（完全な日光曝露下）;
• スーパーキャパシタの総容量4; 6または16ファラッド、許容電圧5.5 V、総自己放電電流、それぞれ120 \ 140 \（まだ不明）μA;
• 太陽電池とスーパーキャパシタの電源をデカップリングするために使用される、0.15Vの順方向電圧降下を備えたデュアルショットキーダイオード。
• レイアウト寸法：55 x 85 mm（プラスチックVISAカード）;
• からの補給なしの推定容量 ソーラーパネルコンデンサーを取り付けるとき4; 6または16ファラッドは、約2/3 / 8mAです。

P. S.計算のタイプミス、エラー、または不正確さに気付いた場合は、個人的なメッセージを書いてください。すみやかにすべてを修正します。

つづく…

電気を蓄えるために、人々は最初にコンデンサーを使用しました。 その後、電気工学が実験室での実験を超えたとき、バッテリーが発明され、それが電気エネルギーを貯蔵するための主要な手段になりました。 しかし、21世紀の初めに、電気機器に電力を供給するためにコンデンサを使用することが再び提案されました。 これはどのように可能であり、バッテリーは最終的に過去のものになるのでしょうか？

コンデンサがバッテリーに取って代わられた理由は、コンデンサが蓄えることができる電気の量が非常に多いためでした。 もう1つの理由は、放電中、バッテリーの出力の電圧がほとんど変化しないため、電圧レギュレーターが不要であるか、非常に大きくなる可能性があることです。 シンプルなデザイン.

コンデンサとバッテリーの主な違いは、コンデンサは電荷を直接蓄えるのに対し、バッテリーは電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄え、次に化学エネルギーを電気エネルギーに戻すことです。

エネルギーの変換中に、その一部が失われます。 したがって、 最高のバッテリー効率は90％以下ですが、コンデンサの場合は99％に達する可能性があります。 化学反応の強さは温度に依存するため、バッテリーは室温よりも凍結温度での動作がはるかに悪くなります。 さらに、バッテリーの化学反応は完全に可逆的ではありません。 したがって、少数の充放電サイクル（約数千、ほとんどの場合、バッテリ寿命は約1000回の充放電サイクル）と「メモリ効果」があります。 「メモリー効果」とは、バッテリーを常に一定量の蓄積エネルギーまで放電する必要があることを思い出してください。そうすれば、その容量は最大になります。 放電後、より多くのエネルギーがそこに残っている場合、バッテリーの容量は徐々に減少します。 「メモリー効果」は、酸性のもの（ゲルとAGMの種類を含む）を除いて、ほとんどすべての市販のタイプのバッテリーの特徴です。 リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池にはそれがないと一般に信じられていますが、実際にはありますが、他のタイプよりも少ない程度でしか現れません。 酸性電池に関しては、それらは電源に不可逆的な損傷を引き起こすプレート硫酸化の効果を示します。 その理由の1つは、充電状態が50％未満のバッテリーが長期間存在することです。

代替エネルギーに関しては、「メモリー効果」とプレートの硫酸化が深刻な問題です。 事実、ソーラーパネルや風力タービンなどのエネルギー源からのエネルギーの流れを予測することは困難です。 その結果、バッテリーの充電と放電は、最適ではないモードで無秩序に発生します。

現代の生活リズムでは、バッテリーを数時間充電しなければならないことは絶対に受け入れられないことがわかりました。 たとえば、充電ポイントで電池切れが数時間続く場合、電気自動車を長距離で運転することをどのように想像しますか？ バッテリーの充電速度は、その中の化学プロセスの速度によって制限されます。 充電時間を1時間に短縮できますが、数分に短縮することはできません。 同時に、コンデンサの充電速度は、充電器によって提供される最大電流によってのみ制限されます。

記載されているバッテリーの欠点は、関連する代わりにコンデンサーを使用することでした。

電気二重層の使用

何十年もの間、電解コンデンサは最大の容量を持っていました。 それらの中で、プレートの1つは金属箔であり、もう1つは電解質であり、プレート間の絶縁体は箔を覆う金属酸化物でした。 電解コンデンサでは、容量が100分の1ファラッドに達する可能性があり、バッテリーを完全に交換するには不十分です。

デザインの比較 他の種類コンデンサー（出典：ウィキペディア）

数千ファラッドで測定される大きな静電容量は、いわゆる電気二重層に基づくコンデンサによって得ることができます。 彼らの仕事の原則は次のとおりです。 電気二重層は、特定の条件下で、固相と液相の物質間の界面で発生します。 イオンの2つの層は、反対の符号の電荷で形成されますが、大きさは同じです。 状況が非常に単純化されている場合、コンデンサが形成され、その「プレート」は示されたイオンの層であり、その間の距離はいくつかの原子に等しい。

マクスウェルによって製造されたさまざまな容量のスーパーキャパシタ

この効果に基づくコンデンサは、スーパーキャパシタと呼ばれることもあります。 実際、この用語は、電荷が蓄積されるコンデンサだけでなく、電気を蓄えるための他のデバイスも指します-電荷の保存とともに電気エネルギーを化学エネルギーに部分的に変換する（ハイブリッドスーパーコンデンサ）、また、電気二重層に基づくバッテリー（いわゆる疑似コンデンサー）にも使用できます。 したがって、「スーパーキャパシタ」という用語の方が適切です。 代わりに「ウルトラキャパシター」という用語が使用されることもあります。

技術的な実装

スーパーキャパシタは、電解質で満たされた2枚の活性炭プレートで構成されています。 それらの間に膜があり、電解質を通過させますが、プレート間の活性炭粒子の物理的な移動を防ぎます。

スーパーキャパシタ自体には極性がないことに注意してください。 この点で、それらは電解コンデンサとは根本的に異なります。電解コンデンサは、原則として極性が特徴的であり、従わないとコンデンサの故障につながります。 ただし、極性はスーパーキャパシタにも適用されます。 これは、スーパーキャパシタがすでに充電されている工場のコンベヤから外れるという事実によるものです。マーキングは、この充電の極性を意味します。

スーパーキャパシタのパラメータ

この記事の執筆時点で到達した個々のスーパーキャパシタの最大容量は12000Fです。大量生産されたスーパーキャパシタの場合、3000Fを超えません。プレート間の最大許容電圧は10Vを超えません。市販のスーパーキャパシタの場合、このインジケータは、原則として、2、3〜2.7 Vの範囲内にあります。動作電圧が低い場合は、スタビライザー機能を備えた電圧コンバーターを使用する必要があります。 事実、放電中、コンデンサプレートの両端の電圧は広範囲にわたって変化します。 負荷と充電器を接続するための電圧変換器を構築することは簡単な作業ではありません。 60Wの負荷に電力を供給する必要があるとしましょう。

この問題の検討を単純化するために、電圧コンバーターとスタビライザーの損失は無視します。 電圧が12Vの従来のバッテリーを使用する場合、制御電子機器は5 Aの電流に耐える必要があります。このような電子機器は広く普及しており、安価です。 しかし、電圧が2.5 Vのスーパーキャパシタを使用すると、まったく異なる状況が発生します。コンバータの電子部品を流れる電流は24 Aに達する可能性があり、ハードウェアと最新の要素ベースへの新しいアプローチが必要です。 20世紀の70年代に量産が開始されたスーパーキャパシタが、さまざまな分野で広く使われ始めたばかりであるという事実を説明できるのは、コンバータとスタビライザーの構造の複雑さです。

無停電電源装置の概略図
スーパーキャパシタの電圧、メインノードが実装されています
リニアテクノロジーが製造した1つのマイクロ回路

スーパーキャパシタは、シリアル接続またはパラレル接続を使用してバッテリーを形成するように接続できます。 前者の場合、最大許容電圧が上昇します。 2番目のケースでは、容量。 このように最大許容電圧を上げることは問題を解決する一つの方法ですが、それに対して支払われる代償はより低い静電容量です。

スーパーキャパシタの寸法は、当然、その容量に依存します。 典型的な3000Fのスーパーキャパシタは、直径約5 cm、長さ14 cmの円柱です。10Fでは、スーパーキャパシタは人間の爪とほぼ同じサイズです。

優れたスーパーキャパシタは、数十万回の充放電サイクルに耐えることができ、このパラメータのバッテリを約100倍上回っています。 しかし、電解コンデンサと同様に、スーパーキャパシタは徐々に電解液が漏れるため、経年劣化の問題に直面します。 これまでのところ、この理由によるスーパーキャパシタの故障に関する完全な統計は蓄積されていませんが、間接的なデータによると、スーパーキャパシタの耐用年数は約15年と見積もることができます。

蓄積されたエネルギー

コンデンサに蓄えられたエネルギーの量。ジュールで表されます。

E = CU 2/2、
ここで、Cはファラッドで表された静電容量、Uはボルトで表されたプレート間の電圧です。

kWhで表される、コンデンサに蓄積されたエネルギーの量は、次のようになります。

W = CU 2/7200000

したがって、プレート間の電圧が2.5Vの3000Fコンデンサは、それ自体で0.0026kWhしか蓄積できません。 これは、たとえばリチウムイオン電池とどのように関連していますか？ 放電の程度に関係なく、3.6 Vに等しい出力電圧をとると、0.0026kWhのエネルギー量が0.72Ahの容量のリチウムイオン電池に蓄えられます。 残念ながら、非常に控えめな結果です。

スーパーキャパシタの適用

非常用照明システムは、バッテリーの代わりにスーパーキャパシターを使用することの利点が重要な場所です。 確かに、不均一な放電を特徴とするのはこのアプリケーションです。 また、非常用ランプの充電が早く、使用するバックアップ電源の信頼性が高いことが望ましい。 スーパーキャパシタバックアップ電源は、直接組み込むことができます LEDランプ T8。 そのようなランプはすでに多くの中国企業によって製造されています。

地上駆動のLEDランプ
太陽光発電、エネルギー貯蔵
スーパーキャパシターで実行されます

すでに述べたように、スーパーキャパシタの開発は主に代替エネルギー源への関心によるものです。 しかし、実際の用途は、太陽からエネルギーを受け取るLEDランプに限られています。

電気機器の始動にスーパーキャパシタを使用するなどの方向性が活発に開発されています。

スーパーキャパシタは、短時間で大量のエネルギーを供給することができます。 スーパーキャパシタを使用して起動時に電気機器に電力を供給することにより、グリッドのピーク負荷を低減し、最終的に突入電流マージンを低減して、大幅なコスト削減を実現できます。

複数のスーパーキャパシターを接続してバッテリーを形成することで、電気自動車に使用されるバッテリーに匹敵する容量を実現できます。 しかし、このバッテリーはバッテリーの数倍の重さがあり、車両には受け入れられません。 この問題は、グラフェンベースのスーパーキャパシタを使用して解決できますが、これまでのところ、プロトタイプとしてのみ存在しています。 それにもかかわらず、電気のみで動作する有名な「Yo-mobile」の有望なバージョンは、ロシアの科学者によって開発されている新世代のスーパーキャパシタを電源として使用します。

スーパーキャパシターは、ガソリンまたはディーゼル燃料で走行する従来の自動車のバッテリーを交換することからも恩恵を受けます-そのような自動車でのそれらの使用はすでに現実のものです。

一方、スーパーキャパシターの導入のために実施されたプロジェクトの中で最も成功したものは、最近モスクワの路上に登場した新しいロシア製のトロリーバスと見なすことができます。 接触ネットワークへの電圧供給が中断されたとき、または集電装置が「飛んで」いるとき、トロリーバスは数百メートルの低速（約15 km / h）で、交通に干渉しない場所まで移動できます。道。 このような操作のエネルギー源は、スーパーキャパシターのバッテリーです。

一般に、スーパーキャパシターは特定の「ニッチ」でのみバッテリーを置き換えることができます。 しかし、技術は急速に発展しており、近い将来、スーパーキャパシタの応用分野が大幅に拡大することが期待できます。