スーパーキャパシタ

スーパーキャパシタ（SC ）はウルトラキャパシタとも呼ばれ、高容量のコンデンサで、静電容量は固体コンデンサよりもはるかに高いが、電圧制限は低い。これは、電解コンデンサと充電式バッテリーの間のギャップを埋めるものである。通常、単位体積または質量あたり電解コンデンサの10～100倍のエネルギーを蓄えることができ、バッテリーよりもはるかに速く充電を受け付けて供給することができ、充電式バッテリーよりもはるかに多くの充放電サイクルに耐えることができる。^[2]

スーパーキャパシタは、通常のコンデンサとは異なり、従来の固体誘電体を使用せず、静電 二重層容量と電気化学 擬似容量^[3]を使用します。これらは両方ともコンデンサの総エネルギー貯蔵に寄与します。

スーパーキャパシタは、長期間のコンパクトなエネルギー貯蔵ではなく、急速な充放電サイクルを多数回必要とする用途で使用されています。自動車、バス、電車、クレーン、エレベーターでは、回生ブレーキ、短期エネルギー貯蔵、またはバーストモード電力供給に使用されています。^{[4]より小型のユニットは、}スタティックランダムアクセスメモリ（SRAM） の電源バックアップとして使用されます。

固体媒体における電気化学的電荷貯蔵メカニズムは、大まかに（一部のシステムでは重複がありますが）3 つのタイプに分類できます。

• 静電二重層コンデンサ（EDLC）は、電気化学擬似容量よりもはるかに高い静電二重層容量を持つ炭素 電極またはその誘導体を使用し、導電性電極の表面と電解質との界面にあるヘルムホルツ 二重層で電荷の分離を実現します。電荷の分離は数オングストローム（0.3～0.8  nm ）のオーダーで、従来のコンデンサよりもはるかに小さいです。EDLCの電荷は、電子導体（例：炭素粒子）とイオン導体（電解質溶液）の2次元界面（表面）に蓄えられます。
• 固体電気活性材料を使用した電池は、酸化還元 化学反応を利用して固体相に電荷を蓄えます。 ^[5]
• 電気化学スーパーキャパシタ(ECSC) は、EDL とバッテリーの中間に位置します。ECSC は、二重層静電容量に加えて、高い電気化学擬似静電容量を持つ金属酸化物または導電性ポリマー電極を使用します。擬似静電容量は、酸化還元反応、インターカレーション、または電気吸着によるファラデー 電子 電荷移動によって実現されます。

固体コンデンサでは、可動電荷は電子であり、電極間のギャップは誘電体の層です。電気化学二重層コンデンサでは、可動電荷は溶媒和イオン（陽イオンと陰イオン）であり、2つの電極のそれぞれにおける有効厚さは、その電気化学二重層構造によって決まります。電池では、電荷は、電子伝導性とイオン伝導性の両方を持つ固体相のバルク体積に蓄えられます。電気化学スーパーキャパシタでは、電荷貯蔵メカニズムは、二重層メカニズムと電池メカニズムを組み合わせたもの、または真の二重層と真の電池の中間のメカニズムに基づいています。

1950 年代初頭、ゼネラルエレクトリック社のエンジニアは、燃料電池や充電式バッテリーの設計から、コンデンサの設計に多孔質炭素電極の実験を始めました。活性炭は、比表面積が大きい、極めて多孔質の「スポンジ状」の炭素である電気伝導体です。1957 年に H. Becker は「多孔質炭素電極を備えた低電圧電解コンデンサ」を開発しました。^{[6] [7] [8]}彼は、電解コンデンサのエッチングされた箔の細孔と同様に、エネルギーが炭素細孔に電荷として蓄えられると考えました。当時、二重層のメカニズムは彼には知られていなかったため、彼は特許に次のように書いています。「それがエネルギー貯蔵に使用されている場合、コンポーネント内で何が起こっているのか正確にはわかりませんが、非常に高い容量につながります。」

ゼネラル・エレクトリックはすぐにはこの研究を進めなかった。1966年にオハイオ州スタンダード・オイル（SOHIO）の研究者は、実験的な燃料電池の設計に取り組みながら、このコンポーネントの別のバージョンを「電気エネルギー貯蔵装置」として開発した。^{[9] [10]}この特許では電気化学的エネルギー貯蔵の性質は説明されていなかった。1970年になっても、ドナルド・L・ブースが特許を取得した電気化学コンデンサは、活性炭電極を備えた電解コンデンサとして登録されていた。^[11]

初期の電気化学コンデンサは、活性炭で覆われた 2 枚のアルミ箔 (電極) を使用し、電解質に浸して薄い多孔質絶縁体で分離していました。この設計により、コンデンサの静電容量は 1ファラッド程度となり、同じ寸法の電解コンデンサよりも大幅に高くなりました。この基本的な機械設計は、ほとんどの電気化学コンデンサの基礎となっています。

SOHIOは発明を商品化せず、その技術をNECにライセンス供与した。NECは最終的に1978年にその成果を「スーパーキャパシタ」として販売し、コンピュータメモリのバックアップ電源として提供した。^[10]

1975年から1980年にかけて、ブライアン・エヴァンス・コンウェイはルテニウム酸化物電気化学コンデンサに関する基礎研究と開発研究を広範囲に行いました。1991年に彼は電気化学エネルギー貯蔵における「スーパーコンデンサ」と「バッテリー」の挙動の違いを説明しました。1999年に彼は「スーパーコンデンサ」という用語を定義し、電極とイオン間のファラデー電荷移動を伴う表面酸化還元反応によって観測される静電容量の増加を指しました。^{[12] [13]}彼の「スーパーコンデンサ」は、ヘルムホルツ二重層に部分的に電荷を蓄え、電極と電解質間の電子と陽子の「疑似静電容量」電荷移動を伴うファラデー反応の結果として部分的に電荷を蓄えました。疑似コンデンサの動作メカニズムは、酸化還元反応、インターカレーション、および電気吸着（表面への吸着）です。彼の研究により、コンウェイは電気化学コンデンサに関する知識を大幅に拡大しました。

市場はゆっくりと拡大しました。しかし、1978年頃にパナソニックがゴールドキャップスブランドを発売したことで状況は一変しました。 ^[14]この製品はメモリバックアップ用途の優れた電源となりました。^[10]競争が始まったのはそれから数年後のことでした。1987年にELNAの「ダイナキャップ」が市場に参入しました。^[15]第1世代のEDLCは比較的高い内部抵抗を持ち、放電電流を制限していました。これらはSRAMチップへの電力供給やデータバックアップなどの低電流用途に使用されていました。

1980年代の終わりには、電極材料の改良により静電容量値が増加しました。同時に、導電性に優れた電解質の開発により等価直列抵抗(ESR) が低下し、充放電電流が増加しました。内部抵抗の低い最初のスーパーキャパシタは、1982年にピナクル研究所 (PRI) によって軍事用途向けに開発され、「PRI ウルトラキャパシタ」というブランド名で販売されました。1992年に、マクスウェル研究所 (後のマクスウェルテクノロジーズ) がこの開発を引き継ぎました。マクスウェルは、PRI からウルトラキャパシタという用語を採用し、電力用途での使用を強調するために「ブーストキャップ」^[16]と呼びました。

コンデンサのエネルギー含有量は電圧の2乗で増加するため、研究者は電解質の破壊電圧を高める方法を模索していました。1994年に、200 Vの高電圧タンタル電解コンデンサの陽極を使用して、David A. Evansは「電解ハイブリッド電気化学コンデンサ」を開発しました。^{[17] [18]}これらのコンデンサは、電解コンデンサと電気化学コンデンサの機能を組み合わせたものです。電解コンデンサの陽極の高い誘電強度と、電気化学コンデンサの擬似容量性金属酸化物（ルテニウム（IV）酸化物）陰極の高い静電容量を組み合わせたハイブリッド電気化学コンデンサです。Capatteryと名付けられたEvansのコンデンサ^[19]は、同じサイズの同等のタンタル電解コンデンサよりも約5倍高いエネルギー含有量を持っていました。^[20]コストが高いため、特定の軍事用途に限定されていました。

最近の開発にはリチウムイオンコンデンサがあります。これらのハイブリッドコンデンサは、 2007年に富士通のFDKによって開発されました^。[21]静電炭素電極とプリドープされたリチウムイオン電気化学電極を組み合わせたものです。この組み合わせにより、静電容量値が増加します。さらに、プリドーピングプロセスによりアノード電位が低下し、セル出力電圧が高くなり、比エネルギーがさらに増加し​​ます。

多くの企業や大学で研究部門が活動しており^[22]、比エネルギー、比出力、サイクル安定性などの特性の向上や生産コストの低減に取り組んでいる。

電気化学コンデンサ（スーパーコンデンサ）は、イオン透過性膜（セパレータ）で分離された 2 つの電極と、両方の電極をイオン的に接続する電解質で構成されています。印加電圧によって電極が分極されると、電解質内のイオンは電極の極性と反対の極性の電気二重層を形成します。たとえば、正に分極した電極では、電極/電解質界面に負イオンの層があり、負の層に吸着する正イオンの電荷バランス層があります。負に分極した電極ではその逆になります。

さらに、電極の材質と表面の形状に応じて、一部のイオンが二重層を透過して特異的に吸着されたイオンとなり、擬似容量によってスーパーキャパシタの総容量に寄与する可能性があります。

2つの電極は、2つの個別のコンデンサC ₁とC ₂の直列回路を形成します。合計容量C _{total は}次の式で与えられます。

${\displaystyle C_{\text{合計}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}}$

スーパーキャパシタには、対称電極または非対称電極があります。対称とは、両方の電極の静電容量値が同じであることを意味し、合計静電容量は各単一電極の値の半分になります ( C ₁  =  C ₂の場合、C _total  = ½  C ₁ )。非対称コンデンサの場合、合計静電容量は、静電容量が小さい方の電極の静電容量と同じになります ( C ₁ >> C ₂の場合、C _total  ≈  C ₂ )。

電気化学コンデンサは二重層効果を利用して電気エネルギーを蓄えるが、この二重層には電荷を分離するための従来の固体誘電体は存在しない。電気化学コンデンサの総容量に寄与する電極の電気二重層には2つの蓄電原理がある。^[23]

• 二重層静電容量、ヘルムホルツ二重層における電荷の分離によって達成される電気エネルギーの静電的貯蔵。 ^[24]
• 擬似容量、電気エネルギーの電気化学的貯蔵。元のタイプは電荷移動を伴うファラデー酸化還元反応を使用する。 ^[16]

両方の静電容量は、測定技術によってのみ区別できます。電気化学コンデンサの単位電圧あたりに蓄えられる電荷量は、主に電極のサイズの関数ですが、各蓄電原理の静電容量の量は非常に異なる場合があります。

すべての電気化学コンデンサには、セパレータによって機械的に分離された 2 つの電極があり、電解質を介してイオン的に相互に接続されています。電解質は、水などの溶媒に溶解した正イオンと負イオンの混合物です。2 つの電極表面のそれぞれに、液体電解質が電極の導電性金属表面に接触する領域が発生します。この界面は、不溶性の固体電極表面と隣接する液体電解質など、2 つの異なる物質相の間に共通の境界を形成します。この界面では、二重層効果という非常に特殊な現象が発生します。^[25]

電気化学コンデンサに電圧を印加すると、コンデンサの両方の電極で電気二重層が生成されます。これらの二重層は 2 つの電荷層で構成されます。1 つの電子層は電極の表面格子構造にあり、もう 1 つの反対極性の層は電解質内の溶解イオンおよび溶媒和イオンから生じます。2 つの層は、溶媒分子の単層(たとえば、水は水分子によって溶媒として作用します) によって分離されており、これは内部ヘルムホルツ面 (IHP) と呼ばれます。溶媒分子は電極の表面に物理的に吸着して付着し、反対極性のイオンを互いに分離するため、分子誘電体として理想化できます。このプロセスでは、電極と電解質の間で電荷の移動は発生しないため、付着を引き起こす力は化学結合ではなく、静電力などの物理的な力です。吸着された分子は分極しますが、電解質と電極の間で電荷の移動がないため、化学変化は発生しません。

電極の電荷量は、外側ヘルムホルツ面 (OHP) の反電荷の大きさと一致します。この二重層現象は、従来のコンデンサと同様に電荷を蓄えます。二重層電荷は、IHP 内の溶媒分子の分子層に印加電圧の強度に対応する静電場を形成します。

二重層は、単一​​分子の厚さではあるが、従来のコンデンサの誘電体層とほぼ同等の役割を果たす。したがって、従来のプレートコンデンサの標準的な式を使用して、その静電容量を計算することができる。^[26]

${\displaystyle C=\varepsilon {\frac {A}{d}}}$。

したがって、静電容量C は、誘電率 εが高く、電極板の表面積Aが大きく、電極板間の距離dが小さい材料で作られたコンデンサで最大になります。その結果、二重層コンデンサは、活性炭電極の非常に大きな表面積と、デバイ長のオーダーである数オングストローム(0.3～0.8 nm) のオーダーの非常に薄い二重層距離から生じる、従来のコンデンサよりもはるかに高い静電容量値を持ちます。^{[16] [24]}

電極と電荷蓄積領域との間の最小距離が、原子内の負電荷と正電荷との間の典型的な距離である約0.05nmよりも小さくなることはないと仮定すると、非ファラデーコンデンサの一般的な静電容量の上限は約18μF/cm2になると^予測されている。^[27]

二層SCの炭素電極の主な欠点は、イオン空間電荷の容量と直列に作用する量子容量^{[要出典]の値が小さいことです[28]}。したがって、SCの容量密度のさらなる増加は、炭素電極ナノ構造​​の量子容量の増加と関連している可能性があります。^[要出典]

電気化学コンデンサーの単位電圧あたりに蓄えられる電荷量は、主に電極のサイズの関数です。二重層における静電エネルギーの蓄えは、蓄えられた電荷に対して線形であり、吸着されたイオンの濃度に対応します。また、従来のコンデンサーの電荷は電子を介して移動しますが、二重層コンデンサーの静電容量は、電解質内のイオンの制限された移動速度と電極の抵抗性多孔質構造に関連しています。電極または電解質内で化学変化は起こらないため、電気二重層の充電と放電は原則として無制限です。実際のスーパーコンデンサーの寿命は、電解質の蒸発効果によってのみ制限されます。

電気化学コンデンサの端子に電圧を印加すると、電解質イオンが反対の分極電極に移動し、溶媒分子の単層がセパレーターとして機能する二重層が形成される。電解質から特異的に吸着されたイオンが二重層に浸透すると、疑似容量が発生する可能性がある。この疑似容量は、電気二重層を持つ電気化学コンデンサ内の適切な電極の表面での可逆的なファラデー 酸化還元反応によって電気エネルギーを蓄える。^{[12] [23] [24] [29] [30]}疑似容量は、脱溶媒和および吸着イオンに由来する電解質と電極間の電子電荷移動を伴い、電荷単位あたり1つの電子のみが関与する。このファラデー電荷移動は、可逆的な酸化還元、インターカレーション、または電気吸着プロセスの非常に高速なシーケンスによって引き起こされる。吸着イオンは、電荷移動のみが発生するため、 電極の原子と化学反応を起こさない（化学結合は発生しない^{[31] ）。}

ファラデー過程に関与する電子は、酸化還元電極試薬の価電子状態 (軌道) へ、またはそこから移動します。電子は負極に入り、外部回路を通って正極に流れ、そこで同数の陰イ​​オンを含む 2 番目の二重層が形成されます。正極に到達した電子は二重層を形成する陰イオンには移動せず、電極表面の強くイオン化され「電子を大量に必要とする」遷移金属イオンに留まります。そのため、ファラデー擬似容量の蓄積容量は、利用可能な表面の試薬の有限量によって制限されます。

ファラデー擬似容量は静的二重層容量と一緒にのみ発生し、その大きさは電極の性質と構造に応じて、同じ表面積の二重層容量の値を100倍超えることがあります。これは、擬似容量反応はすべて、溶媒和殻を持つ溶媒和イオンよりもはるかに小さい脱溶媒和イオンでのみ発生するためです。^{[12] [29]擬似容量の量は、吸着されたアニオンの表面被覆度の}電位依存度 によって決まる狭い範囲内で線形関数を示します。

電極が酸化還元反応、インターカレーション、または電気吸着によって擬似容量効果を達成する能力は、電極材料と電極表面に吸着されたイオンとの化学親和性、および電極細孔の構造と寸法に大きく依存します。擬似キャパシタの電極として使用するための酸化還元挙動を示す材料には、活性炭などの導電性電極材料にドーピングによって挿入された RuO ₂、 IrO ₂、または MnO ₂などの遷移金属酸化物、および電極材料を覆う ポリアニリンやポリチオフェンの誘導体などの導電性ポリマーがあります。

擬似容量に蓄えられる電荷量は、印加電圧に比例します。擬似容量の単位は、静電容量と同じ ファラドです。

従来の電池型電極材料も化学反応を利用して電荷を蓄えますが、放電速度が拡散速度によって制限されるため、非常に異なる電気的プロファイルを示します。これらの材料をナノスケールまで粉砕すると、拡散限界がなくなり、より擬似容量的な挙動を示すため、外在擬似キャパシタになります。Chodankar et al. 2020、図2は、バルクLiCoO ₂、ナノLiCoO ₂、酸化還元擬似キャパシタ（RuO ₂）、およびインターカレーション擬似キャパシタ（T-Nb ₂ O ₅ ）の代表的な電圧-容量曲線を示しています。^{[32] : 5}

スーパーキャパシタは、電極に異なる材料や原理を使用して作ることもできます。これらの材料の両方が高速のスーパーキャパシタ型反応（静電容量または疑似静電容量）を使用する場合、その結果は非対称コンデンサと呼ばれます。2つの電極は異なる電位を持ち、適切なバランスと組み合わせると、寿命や電流容量を失うことなくエネルギー密度が向上します。^{[32] : 8}

最近のスーパーキャパシタの多くは「ハイブリッド」です。つまり、一方の電極のみが高速反応（静電容量または擬似静電容量）を使用し、もう一方の電極はより「バッテリーのような」（遅いが容量が高い）材料を使用します。たとえば、EDLCアノードは活性炭-Ni(OH) ₂カソードと組み合わせることができ、後者は低速ファラデー材料です。ハイブリッドキャパシタのCVおよびGCDプロファイルは、バッテリーとSCの中間の形状で、SCに似ています。ハイブリッドキャパシタはエネルギー密度がはるかに高いですが、低速電極のためサイクル寿命と電流容量が劣ります。^{[32] : 7}

セラミックコンデンサやフィルムコンデンサなどの従来のコンデンサ（静電コンデンサとも呼ばれる）は、誘電体で分離された 2 つの電極で構成されています。充電されると、エネルギーは電極間の誘電体を浸透する静電場に蓄えられます。総エネルギーは蓄えられた電荷の量とともに増加し、それはプレート間の電位（電圧）と直線的に相関します。プレート間の最大電位差（最大電圧）は、誘電体の破壊電界強度によって制限されます。同じ静電蓄積は、電位の大部分が陽極の薄い酸化物層上で減少する電解コンデンサにも当てはまります。やや抵抗のある液体電解質（陰極）は、「湿式」電解コンデンサの電位のわずかな低下の原因となりますが、固体導電性ポリマー電解質を使用した電解コンデンサでは、この電圧降下は無視できます。

対照的に、電気化学 コンデンサ(スーパーコンデンサ) は、イオン透過性膜 (セパレータ) で分離され、電解質を介して電気的に接続された 2 つの電極で構成されています。エネルギーは、二重層静電容量と疑似静電容量の混合として、両方の電極の二重層内で蓄積されます。両方の電極の抵抗(内部抵抗) がほぼ同じである場合、コンデンサの電位は両方の二重層にわたって対称的に低下し、電解質の等価直列抵抗 (ESR) 全体で電圧降下が実現します。ハイブリッド コンデンサなどの非対称スーパーコンデンサの場合、電極間の電圧降下は非対称になる可能性があります。コンデンサ全体の最大電位 (最大電圧) は、電解質分解電圧によって制限されます。

スーパーキャパシタの静電エネルギーと電気化学エネルギーの蓄積は、従来のキャパシタと同様に、蓄積された電荷に対して線形です。キャパシタの端子間の電圧は、蓄積されたエネルギーの量に対して線形です。このような線形電圧勾配は、端子間の電圧が蓄積されたエネルギーの量に依存せず、比較的一定の電圧を提供する充電式電気化学電池とは異なります。

スーパーキャパシタは、電解コンデンサや充電式バッテリー、特にリチウムイオンバッテリーと競合します。次の表は、3 つの主要なスーパーキャパシタ ファミリと電解コンデンサおよびバッテリーの主なパラメータを比較したものです。

電解コンデンサは、ほぼ無制限の充電/放電サイクル、高い絶縁強度 (最大 550 V)、および低周波数範囲での交流(AC)リアクタンスとしての優れた周波数応答を特徴としています。スーパーコンデンサは、電解コンデンサの 10 ～ 100 倍のエネルギーを蓄えることができますが、AC アプリケーションには対応していません。

充電式バッテリーに関して言えば、スーパーキャパシタはピーク電流が高く、サイクルあたりのコストが低く、過充電の危険がなく、可逆性が高く、電解質が非腐食性で、材料の毒性が低いという特徴があります。バッテリーは購入コストが低く、放電時の電圧が安定していますが、複雑な電子制御とスイッチング装置が必要であり、ショートするとエネルギー損失と火花の危険が生じます。^{[説明が必要]}

スーパーキャパシタは、1 対の電極を備えた平らなタイプ、円筒形のケースに巻かれたタイプ、長方形のケースに積み重ねられたタイプなど、さまざまなスタイルで製造されています。 キャパシタンス値は広範囲にわたるため、ケースのサイズはさまざまです。

スーパーキャパシタは、活性炭などの電極材料でコーティングされた 2 つの金属箔 (集電体) で構成されており、電極材料とキャパシタの外部端子間の電力接続として機能します。特に、電極材料は非常に大きな表面積を持っています。この例では、活性炭が電気化学的にエッチングされているため、材料の表面積は滑らかな表面の約 100,000 倍になります。電極は、短絡から電極を保護するための絶縁体として使用されるイオン透過性膜 (セパレーター) によって分離されています。この構造は、その後、円筒形または長方形に巻かれるか折りたたまれ、アルミ缶または適応性のある長方形のハウジングに積み重ねることができます。次に、セルに有機または水性タイプの液体または粘性電解質を含浸させます。イオン伝導体である電解質は、電極の細孔に入り、セパレーターを挟んで電極間の導電接続として機能します。最後に、ハウジングは密閉され、指定された寿命にわたって安定した動作が保証されます。

電気エネルギーは、静的二重層容量と電気化学的擬似容量という2つの貯蔵原理によってスーパーキャパシタに貯蔵されます。そして、2種類の容量の分布は電極の材料と構造に依存します。貯蔵原理に基づいて、スーパーキャパシタには3つのタイプがあります。^{[16] [24]}

• 二重層コンデンサ（EDLC）：電気化学擬似容量よりもはるかに高い静電二重層容量を持つ活性炭電極またはその誘導体を使用する。
• 擬似キャパシタ：高い電気化学的擬似キャパシタンスを持つ遷移金属酸化物または導電性ポリマー電極を使用する
• ハイブリッドコンデンサ：非対称電極を持ち、そのうちの1つは主に静電容量を示し、もう1つは主に電気化学容量を示す（リチウムイオンコンデンサなど）。

二重層容量と擬似容量はどちらも電気化学コンデンサの総容量値に不可分に寄与するため、これらのコンデンサの正しい説明は総称でのみ行うことができます。スーパーキャパシタとスーパーキャバリーの概念は、それぞれスーパーキャパシタと充電式バッテリーのように動作するハイブリッドデバイスをより適切に表すために最近提案されました。^[34]

スーパーキャパシタの 静電容量値は、次の 2 つの保存原理によって決まります。

• 二重層静電容量 –導体電極の表面と電解液電解質の界面にあるヘルムホルツ二重層における電荷の分離によって達成される電気エネルギーの静電的蓄積。二重層における電荷の分離距離は数オングストローム（0.3～0.8  nm ）のオーダーであり、静的起源である。 ^[16]
• 擬似静電容量 –酸化還元反応、電気吸着、または特異的に吸着されたイオンによる電極表面への挿入によって達成される電気エネルギーの電気化学的貯蔵であり、電極上で可逆的なファラデー電荷移動をもたらす。 ^[16]

二重層容量と疑似容量はどちらもスーパーキャパシタの総容量値に不可分に貢献します。^[23]しかし、電極の設計と電解質の組成に応じて、2つの比率は大きく変化する可能性があります。疑似容量は、二重層単独の容量値よりも最大10倍も容量値を増加させる可能性があります。^{[12] [29]}

電気二重層コンデンサ（EDLC）は、主に二重層静電容量によってエネルギー貯蔵を実現する電気化学コンデンサです。以前は、すべての電気化学コンデンサは「二重層コンデンサ」と呼ばれていました。現代の用法では、二重層コンデンサは疑似コンデンサとともに、スーパーコンデンサと呼ばれる電気化学コンデンサのより大きなファミリーの一部と見なされています^{[12] [29]}。これらはウルトラコンデンサとしても知られています。

スーパーキャパシタの特性は、内部材料の相互作用によって決まります。特に、電極材料と電解質の種類の組み合わせによって、キャパシタの機能性、熱特性、電気特性が決まります。

スーパーキャパシタの電極は、一般的には薄いコーティングが施され、導電性の金属集電体に電気的に接続されています。電極は、優れた導電性、高温安定性、長期化学安定性 (不活性)、高耐腐食性、単位体積および質量あたりの表面積が大きいことが必要です。その他の要件には、環境への配慮と低コストが含まれます。

スーパーキャパシタの単位電圧あたりに蓄えられる二重層容量と擬似容量は、主に電極表面積の関数です。そのため、スーパーキャパシタの電極は通常、活性炭などの非常に高い比表面積を持つ多孔質のスポンジ状材料で作られています。さらに、ファラデー電荷移動を実行する電極材料の能力により、総容量が向上します。

一般的に、電極の細孔が小さいほど、静電容量と比エネルギーが大きくなります。ただし、細孔が小さいと等価直列抵抗(ESR) が増加し、比電力が低下します。ピーク電流が高い用途では、より大きな細孔と低い内部損失が必要であり、高い比エネルギーを必要とする用途では、小さな細孔が必要です。

スーパーキャパシタに最も一般的に使用される電極材料は、活性炭（AC）、炭素繊維布（AFC）、炭化物由来の炭素（CDC）^{[35] [36]}カーボンエアロゲル、グラファイト（グラフェン）、グラフェン^[37]およびカーボンナノチューブ（CNT）など、さまざまな形態の炭素である。^{[23] [38] [39]}

炭素系電極は、細孔サイズ分布に応じて少量の擬似容量も存在する可能性があるものの、主に静的二重層容量を示す。炭素の細孔サイズは、通常、マイクロポア（2nm未満）からメソポア（2-50nm）までの範囲であるが、^[40]擬似容量に寄与するのはマイクロポア（<2nm）のみである。細孔サイズが溶媒和シェルサイズに近づくと、溶媒分子は排除され、溶媒和されていないイオンのみが細孔を満たす（大きなイオンであっても）ため、イオン充填密度とファラデーHによる貯蔵能力が増加する。
₂挿入^[23]

活性炭は、EDLC電極に最初に選ばれた材料です。その電気伝導率は金属の約0.003%（1,250～2,000 S/m）ですが、スーパーキャパシタには十分です。^{[24] [16]活性炭は、}比表面積が大きい極めて多孔質の炭素です。一般的な概算では、1グラム（0.035オンス）（鉛筆の消しゴム大）の表面積はおよそ1,000～3,000平方メートル（11,000～32,000平方フィート）です^{[38] [40] 。これは、}テニスコート4～12面分の大きさです。電極に使用されるバルク形状は、低密度で多くの気孔があり、高い二重層静電容量を与えます。固体活性炭は、固化非晶質炭素（CAC）とも呼ばれ、スーパーキャパシターの電極材料として最も多く使用されており、他の炭素誘導体よりも安価である可能性がある。^[41]これは、活性炭粉末を所望の形状に圧縮して製造され、幅広い孔径分布を持つブロックを形成する。表面積が約1000 m ² /gの電極では、典型的な二重層静電容量は約10 μF/cm ²、比静電容量は100 F/gとなる。2010年現在、^{[アップデート]}市販されているスーパーキャパシターのほとんどすべては、ココナッツの殻から作られた粉末活性炭を使用している。^[42]ココナッツの殻は、木炭よりも微細孔の多い活性炭を生成する。^[40]

活性炭素繊維（ACF）は活性炭から作られ、通常直径は10μmです。非常に狭い孔径分布を持つ微細孔を持つことができ、簡単に制御できます。織物に織り込まれたACFの表面積は約2500 m ² /g。ACF電極の利点は、繊維軸に沿った電気抵抗が低く、コレクターとの接触が良好であることです。^[38]活性炭と同様に、ACF電極は主に二重層容量を示し、微細孔のために少量の疑似容量を示します。

カーボンエアロゲルは、有機ゲルから得られる、非常に多孔質で合成された超軽量材料であり、ゲルの液体成分がガスに置き換えられている。エアロゲル電極は、レゾルシノール-ホルムアルデヒドエアロゲル^[43]の熱分解によって作られ、ほとんどの活性炭よりも導電性が高い。エアロゲル電極は、数百マイクロメートル（μm）の範囲の厚さと均一な孔サイズを備えた薄くて機械的に安定した電極を可能にする。エアロゲル電極は、高振動環境で使用されるスーパーキャパシタに機械的および振動安定性も提供する。研究者らは、重量密度が約400〜1200 m ² /g、体積容量が104 F/cm ³のカーボンエアロゲル電極を作成し、比エネルギーを325 kJ/kg（90 Wh/kg）および比出力20 W/g。^{[44] [45]}標準的なエアロゲル電極は主に二重層静電容量を示す。複合材料を組み込んだエアロゲル電極は、高い疑似静電容量を付加することができる。^[46]

炭化物由来炭素（CDC）は、調整可能なナノポーラス炭素とも呼ばれ、二成分シリコンカーバイドやチタンカーバイドなどの炭化物前駆体から誘導された炭素材料のファミリーであり、物理的（熱分解など）または化学的（ハロゲン化など）プロセスによって純粋な炭素に変換されます。 ^{[47] [48]}炭化物由来炭素は、高い表面積と調整可能な細孔径（マイクロポアからメソポアまで）を示し、イオンの閉じ込めを最大化し、ファラデーH
₂吸着処理。カスタマイズされた細孔設計のCDC電極は、従来の活性炭よりも最大75％高い比エネルギーを提供します。2015年現在^{[アップデート]}、CDCスーパーキャパシタは、10.1Wh / kgの比エネルギー、3,500Fの静電容量、100万回以上の充放電サイクルを提供しました。^[49]

グラフェンは、原子が規則的な六角形のパターンで配列された1原子の厚さのグラファイトシートであり、 ^{[50] [51]}「ナノ複合紙」とも呼ばれます。^[52]

グラフェンの理論的な比表面積は2630 m ² /gで、理論的には550 F/gの静電容量につながる。さらに、活性炭に比べてグラフェンの利点は、その高い電気伝導性である。2012年現在^{[アップデート]}、ポータブルアプリケーション向けに、グラフェンシートをコレクターなしで直接電極として使用する新しい開発が行われている。^{[53] [54]}

一つの実施形態では、グラフェンベースのスーパーキャパシタは、面と面が重ならないように湾曲したグラフェンシートを使用し、最大4Vの電圧でイオン電解質にアクセスでき、濡れやすいメソポアを形成します。85.6Wh/kg（室温では従来のニッケル水素電池と同等の308kJ/kgのエネルギーが得られるが、比出力は100～1000倍である。^{[55] [56]}

グラフェンの2次元構造は充電と放電を改善する。垂直に配向されたシート内の電荷キャリアは、電極のより深い構造に出入りすることができるため、電流が増加する。このようなコンデンサは、他の炭素材料を使用したスーパーキャパシタでは実現できない100/120Hzのフィルタアプリケーションに適している可能性がある。^[57]

カーボンナノチューブ(CNT) はバッキーチューブとも呼ばれ、円筒形のナノ構造を持つ炭素 分子です。中空構造で、壁は 1 原子分の厚さのグラファイトシートで形成されています。これらのシートは特定の離散的な (「カイラル」) 角度で巻かれており、カイラル角度と半径の組み合わせによって、電気伝導性、電解質の濡れ性、イオンアクセスなどの特性が制御されます。ナノチューブは、単層ナノチューブ (SWNT) と多層ナノチューブ (MWNT) に分類されます。後者は、ロシアのマトリョーシカ人形のように、1 つ以上の外管が連続して SWNT を包み込んでいます。SWNT の直径は 1 ～ 3 nm です。MWNT はより厚い同軸壁を持ち、グラフェンの層間距離に近い間隔 (0.34 nm) で区切られています。

ナノチューブはシリコンウェーハなどのコレクター基板上で垂直に成長します。典型的な長さは20～100μmです。^[58]

カーボンナノチューブは濡れやすい表面積と高い導電性により、コンデンサの性能を大幅に向上させることができます。^{[59] [60]}

デラウェア大学の Bingqing Wei 教授のグループでは、水性電解質を使用した SWNT ベースのスーパーキャパシターを体系的に研究しました。Li らは、イオンサイズ効果と電極-電解質の濡れ性が、異なるアニオンとカチオンを含む異なる 1 モル水性電解質におけるフレキシブル SWCNT スーパーキャパシターの電気化学的挙動に影響を与える主な要因であることを初めて発見しました。実験結果では、フレキシブル スーパーキャパシターの場合、水性電解質 CNT スーパーキャパシターを改善するには、2 つの電極間に十分な圧力をかける必要があることも示されました。^[61]

CNT は単位表面積あたり活性炭とほぼ同じ電荷を蓄えることができますが、ナノチューブの表面は規則的なパターンで配置されているため、濡れ性が高くなっています。SWNT の理論上の比表面積は 1315 m ² /g と高く、MWNT の比表面積はそれより低く、活性炭の表面積が約 3000 m ² /g であるのに対し、チューブの直径とネスティングの程度によって決まります。それでも、CNT の静電容量は活性炭電極よりも高く、たとえばMWNT の場合は 102 F/g、SWNT の場合は 180 F/g です。^{[引用が必要]}

MWNT はメソ細孔を有し、電極と電解質の界面でイオンが容易にアクセスできる。細孔サイズがイオン溶媒和シェルのサイズに近づくと、溶媒分子が部分的に剥がれ、イオンの充填密度が大きくなり、ファラデー貯蔵能力が増加する。しかし、挿入と枯渇を繰り返すと体積が大きく変化するため、機械的安定性が低下する。このため、表面積、機械的強度、電気伝導性、化学的安定性を高める研究が行われている。^{[59] [62] [63]}

MnO ₂およびRuO ₂は、容量性電極の電気化学的特徴 (電流対電圧曲線に対する線形依存性) を持ち、かつaic挙動を示すため、擬似キャパシタの電極として使用される一般的な材料です。さらに、電荷の蓄積は、電気化学二重層へのイオンの蓄積ではなく、電子移動メカニズムに由来します。擬似キャパシタは、活性電極材料内で発生するファラデー酸化還元反応によって生成されます。遷移金属酸化物は RuO ₂などの貴金属酸化物に比べてコストが低いため、MnO ₂などの遷移金属酸化物にさらに多くの研究が集中しました。さらに、遷移金属酸化物の電荷蓄積メカニズムは、主に擬似容量に基づいています。MnO _{2電荷蓄積挙動の 2 つのメカニズムが紹介されました。最初のメカニズムは、還元時に材料の大部分に}プロトン(H ⁺ ) またはアルカリ金属カチオン(C ⁺ )が挿入され、その後、酸化時に脱挿入されることを意味します。^[64]

MnO ₂ + H ⁺ (C ⁺ ) + e ⁻ ⇌ MnOOH(C) ^[65]

2番目のメカニズムは、MnO _2上の電解質カチオンの表面吸着に基づいています。

(MnO ₂ )_表面+ C ⁺ e ⁻ ⇌ (MnO ₂ ⁻ C ⁺ )_表面

ファラデー挙動を示すすべての材料が擬似キャパシタの電極として使用できるわけではない。例えばNi(OH) ₂は電池型電極（電流対電圧曲線に対する非線形依存性）であるためである。^[66]

ブライアン・エヴァンス・コンウェイの研究^{[12] [13]}では、高い擬似容量を示す遷移金属酸化物の電極について説明している。ルテニウム（RuO
₂）、イリジウム（IrO
₂）、鉄（Fe
₃お
₄）、マンガン（MnO
₂）または硫化チタン（TiS
₂）単独または組み合わせて、低抵抗と組み合わせた強力なファラデー電子移動反応を生成する。^[要出典]二酸化ルテニウムとH
₂それで
₄電解質は720 F/gの比静電容量と26.7 Wh/kgの高い比エネルギーを提供します（96.12 kJ/kg）。^[67]

充電/放電は、電極あたり約 1.2 V のウィンドウで行われます。この約 720 F/g の擬似容量は、活性炭電極を使用した二重層容量の約 100 倍です。これらの遷移金属電極は、数十万サイクルの優れた可逆性を提供します。ただし、ルテニウムは高価であり、このコンデンサの 2.4 V の電圧ウィンドウは、軍事および宇宙用途に限定されます。Das らは、多孔質単層カーボンナノチューブフィルム電極に電気めっきされたルテニウム酸化物を使用したルテニウム酸化物ベースのスーパーキャパシタの最高容量値 (1715 F/g) を報告しました。^[68] 1715 F/g という高い比容量が報告されており、これは予測される理論上の最大値RuO
₂静電容量2000 F/g。

2014年、RuO
₂グラフェンフォーム電極に固定されたスーパーキャパシタは、502.78 F/gの比容量と1.11 F/cm ²の面積容量を実現し、8,000サイクルにわたって一定の性能で比エネルギー39.28 Wh/kg、比電力128.01 kW/kgを実現しました。このデバイスは、3次元（3D）の5nm未満の含水ルテニウム固定グラフェンとカーボンナノチューブ（CNT）ハイブリッドフォーム（RGM）アーキテクチャです。グラフェンフォームは、RuO
₂ ナノ粒子とアンカー型CNT。^{[69] [70]}

鉄、バナジウム、ニッケル、コバルトのより安価な酸化物は水性電解質でテストされていますが、二酸化マンガン（MnO）ほど研究されたものはありません。
₂しかし、これらの酸化物はいずれも商業的に使用されていない。^[71]

別のアプローチでは、電子伝導性ポリマーを擬似容量材料として使用します。導電性ポリマーは機械的には弱いものの、導電性が高く、その結果、ESR [説明が必要] が低くなり、静電容量が比較的高くなります。このような導電性ポリマーには、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレンなどがあります。このような^電極では、ポリマーにアニオンとカチオンを電気化学的にドーピングまたは脱ドーピングする方法も使用されます。導電性ポリマーで作られた電極や導電性ポリマーでコーティングされた電極のコストは、炭素電極と同程度です。

導電性ポリマー電極は、一般的にサイクル安定性が限られている。^[要出典] しかし、ポリアセン電極は最大10,000サイクルを実現し、バッテリーよりもはるかに優れています。^[72]

市販されているハイブリッド スーパーキャパシタはすべて非対称です。これらは、高い疑似容量を持つ電極と高い二重層容量を持つ電極を組み合わせたものです。このようなシステムでは、高い容量を持つファラデー疑似容量電極が高比エネルギーを提供し、非ファラデー EDLC 電極が高比電力を可能にします。対称 EDLC と比較したハイブリッド型スーパーキャパシタの利点は、比容量値が高いことと定格電圧が高く、それに応じて比エネルギーも高いことです。^{[引用が必要]}

ハイブリッド型スーパーキャパシタの複合電極は、金属酸化物や導電性ポリマーなどの擬似容量活性材料を組み込んだり堆積させたりした炭素系材料から作られています。2013 年現在、^{[アップデート]}スーパーキャパシタのほとんどの研究は複合電極を研究しています。CNT は金属酸化物または導電性ポリマー (ECP) の均一な分布のバックボーンとなり、優れた擬似容量と優れた二重層容量を生み出します。これらの電極は、純粋な炭素、純粋な金属酸化物、またはポリマーベースの電極よりも高い容量を実現します。これは、ナノチューブの絡み合ったマット構造のアクセシビリティに起因しており、擬似容量材料の均一なコーティングと 3 次元の電荷分布を可能にします。擬似容量活性材料を固定するプロセスでは、通常、水熱プロセスが使用されます。しかし、デラウェア大学の Li らは最近、SWNT フィルム上に MnO2 を沈殿させて有機電解質ベースのスーパーキャパシタを作成する簡単でスケーラブルな方法を発見しました。^[73]

CNT電極を強化する別の方法は、リチウムイオンコンデンサのように擬似容量ドーパントをドーピングすることです。この場合、比較的小さなリチウム原子が炭素層の間に挿入されます。^[74]アノードはリチウムドープカーボンで作られており、活性炭で作られたカソードでより低い負の電位を可能にします。これにより、電解質の酸化を防ぐ3.8〜4 Vのより大きな電圧が得られます。2007年の時点で、彼らは550 F / gの静電容量を達成しました。^[10]そして14 Wh / kg（50.4kJ/kg）。^[75]

充電式電池の電極は、リチウムイオンコンデンサーのような新しいハイブリッド型スーパーキャパシターの電極の開発に影響を与えました。^[76]非対称構造のカーボンEDLC電極と組み合わせることで、この構成は、典型的なスーパーキャパシターよりも高い比エネルギーを提供し、比出力が高く、サイクル寿命が長く、充電と再充電の時間がバッテリーよりも速くなります。

最近、正極が実際の擬似容量性金属酸化物電極（複合電極ではない）をベースにし、負極が EDLC 活性炭電極をベースにした非対称ハイブリッド スーパーキャパシタがいくつか開発されました。

非対称スーパーキャパシタ（ASC）は、その広い動作電位により静電容量挙動を著しく向上させることができるため、高性能スーパーキャパシタの大きな潜在的候補であることが示されています。このタイプのスーパーキャパシタの利点は、電圧が高く、それに応じて比エネルギーも高いことです（最大10〜20 Wh / kg（36〜72 kJ / kg））。^{[引用が必要]}また、サイクル安定性も良好です。^{[77] [78] [79] [80]}

例えば、研究者らは、ある種の新しいスクッテルダイトNi-CoP ₃ナノシートを正極として活性炭（AC）を負極として使用し、非対称スーパーキャパシタ（ASC）を製造している。これは、796 W / kgで89.6 Wh / kgの高いエネルギー密度と10,000サイクル後の93％の安定性を示し、優れた次世代電極候補となる大きな可能性を秘めている。^[80]また、カーボンナノファイバー/ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）/酸化マンガン（f-CNF / PEDOT / MnO ₂）を正極として、ACを負極として使用した。これは、49.4 Wh / kgの高い比エネルギーと優れたサイクル安定性（8000回のサイクル後に81.06％）を備えている。^[78]さらに、NiCo ₂ S ₄ @NiO、^[79] MgCo ₂ O ₄ @MnO ₂など、多くの種類のナノ複合材料が電極として研究されています。たとえば、電極として使用されるFe-SnO ₂ @CeO ₂ナノ複合材料は、32.2 Wh / kgと747 W / kgの比エネルギーと比電力を提供できます。このデバイスは、5000サイクルの動作で85.05 %の静電容量保持率を示しました。^[77]知られている限り、このような非対称電極を備えた市販のスーパーキャパシタは市場に出回っていません。

電解質は、溶媒と溶解した 化学物質で構成されており、これらは正のカチオンと負のアニオンに解離して電解質を導電性にします。電解質に含まれるイオンが多いほど、導電性は高くなります。スーパーキャパシタでは、電解質は 2 つの電極間の導電性接続です。さらに、スーパーキャパシタでは、電解質はヘルムホルツ二重層の分離単層に分子を提供し、擬似容量用のイオンを供給します。

電解液はコンデンサの特性、すなわち動作電圧、温度範囲、ESR、静電容量を決定します。同じ活性炭電極の場合、水性電解液は160 F/gの静電容量値を達成しますが、有機電解液は100 F/gしか達成しません。^[81]

コンデンサの電気的パラメータが長期間安定して動作するように、電解液は化学的に不活性で、コンデンサ内の他の材料を化学的に攻撃しないものでなければなりません。電解液の粘度は、電極の多孔質のスポンジのような構造を濡らすのに十分低くなければなりません。理想的な電解液は存在しないため、性能とその他の要件の間で妥協を強いられます。

水は無機化学物質の比較的良い溶媒です。硫酸（H
₂それで
₄）、水酸化カリウム（KOH）などのアルカリ、または第四級ホスホニウム塩、過塩素酸ナトリウム（NaClO
₄）、過塩素酸リチウム（LiClO
₄）または六フッ化ヒ酸リチウム（LiAsF
₆)、水は、約 100 ～ 1000 m S /cm という比較的高い導電率値を示します。水性電解質は、解離電圧が電極あたり 1.15 V (コンデンサ電圧 2.3 V) で、動作温度範囲が比較的低いです。これらは、比エネルギーが低く、比出力が高いスーパーキャパシタで使用されます。

アセトニトリル、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ジエチルカーボネート、γ-ブチロラクトンなどの有機溶媒を含む電解質、およびテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（N（Et）
₄ボーイフレンド
₄^[82]）またはトリエチル（メチル）テトラフルオロボラート（NMe(Et)
₃ボーイフレンド
₄) は水性電解質よりも高価ですが、解離電圧が通常電極あたり 1.35 V (コンデンサ電圧 2.7 V) と高く、温度範囲も広くなります。有機溶媒の電気伝導率が低い (10 ～ 60 mS/cm) ため、比電力は低くなりますが、比エネルギーは電圧の 2 乗で増加するため、比エネルギーは高くなります。

イオン電解質は、より広い電気化学的ウィンドウで安定できる液体塩で構成されており、3.5Vを超えるコンデンサ電圧を可能にします。イオン電解質のイオン伝導率は通常、数mS/cmで、水性電解質や有機電解質よりも低くなります。^[83]

セパレータは、直接接触によるショートを防ぐために、2つの電極を物理的に分離する必要があります。セパレータは非常に薄く（数百分の1ミリメートル）、ESRを最小限に抑えるために伝導イオンに対して非常に多孔質でなければなりません。さらに、セパレータは、電解質の安定性と導電性を保護するために化学的に不活性でなければなりません。安価な部品では、オープンコンデンサペーパーが使用されます。より洗練された設計では、ポリアクリロニトリルやカプトンなどの不織布多孔質ポリマーフィルム、織りガラス繊維、または織りセラミック繊維が使用されています。^{[84] [85]}

集電装置は、電極をコンデンサの端子に接続します。集電装置は、電極にスプレーされるか、金属箔です。集電装置は、最大 100 A のピーク電流を分配できなければなりません。ハウジングが金属 (通常はアルミニウム) で作られている場合、腐食性のガルバニックセルの形成を避けるために、集電装置も同じ材料で作られている必要があります。

_{市販のコンデンサの静電容量値は、「定格静電容量 C R} 」として指定されます。これは、コンデンサの設計値です。実際のコンポーネントの値は、指定された許容差によって指定された制限内に収まっている必要があります。一般的な値はファラッド(F) の範囲で、電解コンデンサの値よりも 3 ～ 6桁大きくなります。静電容量値は、 DC電圧 V _DCを介して負荷がかかったコンデンサのエネルギー(ジュールで表されます) によって決まります。 ${\displaystyle W}$

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{DC}}\cdot V_{\text{DC}}^{2}}$

この値は「DC 静電容量」とも呼ばれます。

従来のコンデンサは通常、小さなAC電圧 (0.5 V) と、コンデンサの種類に応じて 100 Hz または 1 kHz の周波数で測定されます。AC 静電容量測定は、工業生産ラインにとって重要な高速結果を提供します。スーパーコンデンサの静電容量値は、多孔質電極構造と限られた電解質のイオン移動度に関連する測定周波数に大きく依存します。10 Hz の低周波数でも、測定された静電容量値は DC 静電容量値の 100 ～ 20 パーセントに低下します。

この異常に強い周波数依存性は、イオンが電極の細孔内を移動しなければならない距離が異なることで説明できます。細孔の始まりの領域はイオンが簡単にアクセスできます。この短い距離には低い電気抵抗が伴います。イオンがカバーしなければならない距離が長いほど、抵抗は高くなります。この現象は、直列 RC時定数を持つカスケード接続された RC (抵抗器/コンデンサ) 要素の直列回路で説明できます。これにより電流の流れが遅れ、極性が変わるとイオンで覆うことができる電極の総表面積が減少します。つまり、AC 周波数が増加すると静電容量が減少します。したがって、総静電容量は、より長い測定時間を経た後でのみ達成されます。静電容量の非常に強い周波数依存性のため、この電気パラメータは、IEC規格 62391-1 および -2 で定義されている特別な定電流充電および放電測定で測定する必要があります。

測定はコンデンサの充電から始まります。電圧を印加し、定電流/定電圧電源が定格電圧に達した後、コンデンサを 30 分間充電する必要があります。次に、コンデンサを一定の放電電流 I_{放電で放電する必要があります。次に、電圧が定格電圧の 80% (V 1} ) から 40% (V ₂ ) に低下するまでの時間 t ₁と t _{2 を}測定します。静電容量値は次のように計算されます。

${\displaystyle C_{\text{total}}=I_{\text{discharge}}\cdot {\frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}}$

放電電流の値はアプリケーションによって決まります。IEC 規格では 4 つのクラスが定義されています。

1. メモリバックアップ、放電電流（mA）= 1 • C（F）
2. エネルギー貯蔵、放電電流（mA）= 0,4 • C (F) • V (V)
3. 電力、放電電流（mA） = 4 • C (F) • V (V)
4. 瞬時電力、放電電流（mA） = 40 • C (F) • V (V)

各メーカーが採用している測定方法は、主に標準化された方法と比較できる。^{[86] [87]}

標準化された測定方法は、製造業者が個々の部品の製造時に使用するには時間がかかりすぎます。工業生産のコンデンサの場合、代わりに、より高速で低周波の AC 電圧を使用して静電容量値を測定し、相関係数を使用して定格静電容量を計算します。

この周波数依存性はコンデンサの動作に影響します。急速な充電および放電サイクルは、定格静電容量値も特定のエネルギーも利用できないことを意味します。この場合、定格静電容量値は各アプリケーション条件に対して再計算されます。

スーパーキャパシタが定電流Iを供給できる時間t は次のように計算できます。

${\displaystyle t={\frac {C\cdot (U_{\text{電荷}}-U_{\text{分}})}{I}}}$

コンデンサ電圧がU _{chargeからU min}まで減少するにつれて。

アプリケーションが一定時間tにわたって一定の電力P を必要とする場合、次のように計算できます。

${\displaystyle t={\frac {1}{2P}}\cdot C\cdot (U_{\text{電荷}}^{2}-U_{\text{最小}}^{2}).}$

ここでもコンデンサ電圧はU _{chargeからU min}まで減少します。

スーパーキャパシタは低電圧部品です。安全に操作するには、電圧が指定された制限内に収まっている必要があります。定格電圧 U _{R は}、連続して適用でき、指定された温度範囲内に収まる最大 DC 電圧またはピーク パルス電圧です。キャパシタは、定格電圧を超える電圧に連続してさらされてはなりません。

定格電圧には、電解質が分解する電解質の破壊電圧に対する安全マージンが含まれています。破壊電圧は、ヘルムホルツ二重層内の分離溶媒分子を分解します。たとえば、水は水素と酸素に分解されます。すると、溶媒分子は電荷を互いに分離できなくなります。定格電圧よりも高い電圧は、水素ガスの生成や短絡を引き起こします。

水性電解質を使用した標準的なスーパーキャパシタの定格電圧は通常2.1～2.3 V、有機溶媒を使用したキャパシタの定格電圧は2.5～2.7 Vです。ドープ電極を使用したリチウムイオンキャパシタの定格電圧は3.8～4 Vに達することがありますが、電圧の下限は約2.2 Vです。イオン性電解質を使用したスーパーキャパシタは、動作電圧が3.5 Vを超えることがあります。^[83]

スーパーキャパシタを定格電圧以下で動作させると、電気的パラメータの長期的な挙動が改善されます。サイクル中の静電容量値と内部抵抗はより安定し、寿命と充放電サイクルが延長される可能性があります。^[87]

より高い電圧を印加するには、セルを直列に接続する必要があります。各コンポーネントの静電容量値と ESR にはわずかな違いがあるため、印加電圧を安定させるにはアクティブまたはパッシブにバランスをとる必要があります。パッシブ バランスでは、スーパーキャパシタと並列に抵抗器を使用します。アクティブ バランスには、しきい値を超えると電流が変化する電子電圧管理が含まれる場合があります。

スーパーキャパシタの充電/放電は、電解質内の電荷キャリア（イオン）がセパレータを通過して電極に移動し、その多孔質構造に入ることで起こります。この移動中に損失が発生し、内部 DC 抵抗として測定できます。

電極の細孔内に直列接続された RC (抵抗器/コンデンサ) 素子がカスケード接続された電気モデルでは、電荷キャリアが細孔内に深く浸透するにつれて内部抵抗が増加します。内部 DC 抵抗は時間に依存し、充電/放電中に増加します。アプリケーションでは、多くの場合、スイッチオンとスイッチオフの範囲のみが重要です。内部抵抗 R _{i は、一定の放電電流 I放電}から始めて、放電時の電圧降下 ΔV ₂から計算できます。これは、直線部分から延長された補助線と放電開始時の時間基準の交点から得られます (右の図を参照)。抵抗は次のように計算できます。

${\displaystyle R_{\text{i}}={\frac {\Delta V_{2}}{I_{\text{放電}}}}}$

内部抵抗の測定のための放電電流 I_放電は、 IEC 62391-1 に従った分類から取得できます。

この内部 DC 抵抗 R _{i は、コンデンサに通常指定される}等価直列抵抗(ESR)と呼ばれる内部 AC 抵抗と混同しないでください。これは 1 kHz で測定されます。ESR は DC 抵抗よりもはるかに小さいです。ESR は、スーパーコンデンサの突入電流やその他のピーク電流の計算には関係ありません。

R _{i は}スーパーキャパシタの特性をいくつか決定します。充電と放電のピーク電流と充電/放電時間を制限します。R _iと静電容量Cは時定数をもたらします。 ${\displaystyle \tau}$

${\displaystyle \tau =R_{\text{i}}\cdot C}$

この時定数によって充電/放電時間が決まります。たとえば、内部抵抗が 30 mΩ の 100 F コンデンサの場合、時定数は 0.03 • 100 = 3 秒です。内部抵抗によってのみ制限される電流で 3 秒間充電すると、コンデンサは完全に充電された状態の 63.2% になります (または完全に充電された状態の 36.8% まで放電されます)。

内部抵抗が一定の標準コンデンサは、約 5 τ で完全に充電されます。内部抵抗は充電/放電とともに増加するため、この式では実際の時間を計算することができません。したがって、充電/放電時間は個々の構造の詳細によって異なります。

スーパーキャパシタは化学結合を形成せずに動作するため、充電、放電、ピーク電流などの電流負荷は反応制約によって制限されません。電流負荷とサイクル安定性は、充電式バッテリーよりもはるかに高くなります。電流負荷は内部抵抗によってのみ制限されますが、内部抵抗はバッテリーよりも大幅に低くなる可能性があります。

内部抵抗「R _i 」と充電/放電電流またはピーク電流「I」により、次式に従って 内部熱損失「P _{loss 」が発生します。}

${\displaystyle P_{\text{損失}}=R_{\text{i}}\cdot I^{2}}$

動作温度を指定された最高温度以下に維持するには、この熱を放出して周囲環境に分配する必要があります。

一般的に、コンデンサの寿命は電解質の拡散による熱によって決まります。電流負荷による発熱は、最大周囲温度で 5 ～ 10  K未満である必要があります(予想寿命への影響はわずかです)。そのため、頻繁なサイクルに対する指定の充電電流と放電電流は、内部抵抗によって決まります。

最大条件下での規定サイクルパラメータには、充電電流と放電電流、パルス持続時間、周波数などがある。これらは、規定された温度範囲と規定された寿命の全電圧範囲で規定されている。これらは、電極の多孔度、細孔サイズ、電解質の組み合わせによって大きく異なる可能性がある。一般に、電流負荷が低いほどコンデンサの寿命が延び、サイクル数も増加する。これは、電圧範囲を低くするか、充電と放電を遅くすることで実現できる。^[87]

スーパーキャパシタ（ポリマー電極のものを除く）は、容量の大幅な低下や内部抵抗の増加なしに、100 万回以上の充電/放電サイクルに耐えられる可能性があります。より高い電流負荷の下には、これがバッテリーに対するスーパーキャパシタの 2 つ目の大きな利点があります。安定性は、静電的および電気化学的ストレージ原理の二重性から生まれます。

指定された充電電流と放電電流は、周波数を下げるか、単一パルスによって大幅に超える可能性があります。単一パルスによって生成された熱は、次のパルスが発生するまでの時間に分散され、比較的小さな平均熱増加が保証されます。1000 F を超えるスーパーキャパシタの電力用途向けのこのような「ピーク電力電流」は、最大約 1000 A のピーク電流を提供できます。^[88]このような高電流は、高い熱応力と高い電磁力を発生させ、電極とコレクターの接続を損傷する可能性があるため、コンデンサの堅牢な設計と構造が必要です。

静電容量の初期抵抗や定常抵抗などのデバイスパラメータは一定ではなく、可変であり、デバイスの動作電圧に依存します。動作電圧が上昇すると、デバイスの静電容量は測定可能なほど増加します。たとえば、100Fデバイスは、動作電圧範囲全体にわたって最大静電容量から26％変化することがわかります。動作電圧に対する同様の依存性は、定常抵抗（R _ss）と初期抵抗（R _i）にも見られます。^[89]デバイス特性は、デバイス温度にも依存することが分かります。デバイスの温度が動作または周囲温度の変化によって変化すると、静電容量や抵抗などの内部特性も変化します。動作温度が上昇すると、デバイスの静電容量が増加することがわかります。^[89]

スーパーキャパシタは、高出力/低エネルギーの電解コンデンサと低出力/高エネルギーの充電式バッテリーの間のギャップを埋めます。コンデンサに蓄えられるエネルギーW _{max （}ジュールで表されます）は、次の式で表されます。

${\displaystyle W_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{total}}\cdot V_{\text{loaded}}^{2}}$

この式は蓄積されたエネルギーの量を表し、新しい研究の成功を説明するためによく使用されます。ただし、電圧降下と内部抵抗の時定数により、蓄積された電荷の一部はアクセスできないため、アプリケーションで使用できるのは蓄積されたエネルギーの一部だけです。有効実現エネルギー量 W _{effは、V max}と V _min間の使用電圧差によって減少し、次のように表すことができます。^{[引用が必要]}

${\displaystyle W_{\text{eff}}={\frac {1}{2}}\ C\cdot \ (V_{\text{max}}^{2}-V_{\text{min}}^{2})}$

この式は、リチウムイオンコンデンサなどのエネルギー非対称電圧コンポーネントも表します。

コンデンサの質量あたりに蓄えられるエネルギーの量は、そのコンデンサの比エネルギーと呼ばれます。比エネルギーは重量測定法（質量単位あたり）で測定され、ワット時/キログラム（Wh/kg）で表されます。

コンデンサの体積あたりに蓄えられるエネルギー量は、そのコンデンサのエネルギー密度と呼ばれます (一部の文献では体積比エネルギーとも呼ばれます)。エネルギー密度は、体積(単位体積あたり) で、ワット時/リットル(Wh/L) で測定されます。リットルと dm ³の単位は互換的に使用できます。

2013年現在、^{[アップデート]}商業用エネルギー密度は大きく異なりますが、一般的には5～8 Wh/L。比較すると、ガソリン燃料のエネルギー密度は32.4 MJ/Lまたは9000Wh/L。^[90]商業用比エネルギーは約0.5～15 Wh/kg。比較すると、アルミ電解コンデンサは通常0.01～0.3 Wh/kgであるのに対し、従来の鉛蓄電池は通常30～40Wh/kgと現代のリチウムイオン電池は100～265 Wh/kg。スーパーキャパシタは電解コンデンサの10～100倍のエネルギーを蓄えることができるが、バッテリーの10分の1にしかならない。^[要出典]参考までに、ガソリン燃料の比エネルギーは44.4 MJ/kgまたは12 300Wh  /kg .

スーパーキャパシタの比エネルギーはバッテリーに比べて劣っていますが、キャパシタには比電力という重要な利点があります。比電力は、エネルギーを負荷に供給できる速度（または、デバイスの充電時にジェネレータから吸収される速度）を表します。最大電力 P _{max は、}特定の電圧の理論的な矩形の単一最大電流ピークの電力を指定します。実際の回路では、電流ピークは矩形ではなく、電圧は電圧降下によって小さくなります。そのため、IEC 62391–2 では、電力用途のスーパーキャパシタに対して、より現実的な有効電力 P _{eff を}確立しました。これは最大値の半分であり、次の式で与えられます。

${\displaystyle P_{\text{eff}}={\frac {1}{8}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}}$、

${\displaystyle P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}}$

ここで、V = 印加電圧、R _{i は}コンデンサの内部DC抵抗です。

比エネルギーと同様に、比出力は重量でキロワット/キログラム (kW/kg、比出力) または体積でキロワット/リットル (kW/L、電力密度) で測定されます。スーパーキャパシタの比出力は通常、バッテリーの 10 ～ 100 倍で、最大 15 kW/kg に達することがあります。

ラゴンチャートはエネルギーと電力を関連付け、エネルギー貯蔵コンポーネントの特性評価と視覚化に役立つツールです。このような図を使用すると、さまざまな貯蔵技術の比電力と比エネルギーの位置を簡単に比較できます（図を参照）。^{[91] [92]}

スーパーキャパシタは電極の化学変化に依存しないため (ポリマー電極のものを除く)、寿命は主に液体電解質の蒸発速度に依存します。この蒸発は一般に、温度、電流負荷、電流サイクル周波数、および電圧の関数です。電流負荷とサイクル周波数によって内部熱が発生するため、蒸発を決定する温度は周囲熱と内部熱の合計です。この温度は、コンデンサ本体の中心のコア温度として測定できます。コア温度が高いほど、蒸発が速くなり、寿命が短くなります。

蒸発により、一般的に静電容量が減少し、内部抵抗が増加します。IEC/EN 62391-2 によれば、静電容量が 30% 以上減少した場合、または内部抵抗がデータシートの仕様の 4 倍を超えた場合は「摩耗故障」とみなされ、コンポーネントの寿命が尽きたことを意味します。コンデンサは動作可能ですが、機能が低下します。パラメータの異常が適切な機能に影響を及ぼすかどうかは、コンデンサの用途によって異なります。

IEC/EN 62391-2で規定されている電気的パラメータのこのような大きな変化は、通常、高電流負荷アプリケーションでは許容されません。高電流負荷をサポートするコンポーネントでは、はるかに小さい制限、たとえば静電容量の20%損失または内部抵抗の2倍が使用されます。^[93]熱は内部抵抗の増加に比例して増加するため、このようなアプリケーションではより狭い定義が重要であり、最大温度を超えてはいけません。規定よりも高い温度はコンデンサを破壊する可能性があります。

スーパーキャパシタの実際の使用寿命は、「耐用年数」、「平均寿命」、または「負荷寿命」とも呼ばれ、室温で 10 ～ 15 年以上に達することがあります。このような長い期間はメーカーがテストすることはできません。そのため、メーカーは最高温度および最高電圧条件での予想コンデンサ寿命を指定します。結果はデー​​タシートで「テスト時間 (時間)/最高温度 (°C)」という表記法を使用して指定されます (例: 「5000 時間/65 °C」)。この値と履歴データから得られた式を使用して、低温条件での寿命を推定できます。

データシートの寿命仕様は、製造元によって「耐久テスト」と呼ばれる加速老化テストを使用してテストされ、指定された時間にわたって最大温度と電圧がかけられます。「欠陥ゼロ」製品ポリシーでは、このテスト中に摩耗や完全な故障が発生することはありません。

データシートの寿命仕様は、特定の設計の予想寿命を推定するのに使用できます。非固体電解質の電解コンデンサに使用される「10 度ルール」は、これらの推定に使用され、スーパーコンデンサにも使用できます。このルールは、反応速度の温度依存性の簡単な式であるアレニウスの式を採用しています。動作温度が 10 °C 低下するごとに、推定寿命は 2 倍になります。

${\displaystyle L_{x}=L_{0}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{x}}{10}}}$

と：

• L _x = 推定寿命
• L ₀ = 指定寿命
• T ₀ = コンデンサの上限指定温度
• T _x = コンデンサセルの実際の動作温度

この式で計算すると、65 °C で 5000 時間の動作が規定されているコンデンサの推定寿命は、45 °C で 20,000 時間になります。

寿命は動作電圧にも依存します。これは、液体電解質内のガスの発生が電圧に依存するためです。電圧が低いほど、ガスの発生が少なくなり、寿命が長くなります。電圧と寿命を関連付ける一般的な公式はありません。図に示されている電圧依存曲線は、あるメーカーの経験的結果です。

電力アプリケーションの平均寿命は、電流負荷またはサイクル数によっても制限される可能性があります。この制限は、関連する製造元によって指定される必要があり、タイプによって大きく異なります。

電気エネルギーを二重層に蓄えると、細孔内の電荷キャリアは分子の範囲の距離だけ離れる。この短い距離で不規則性が生じ、電荷キャリアの小さな交換と徐々に放電が起こる。この自己放電は漏れ電流と呼ばれる。漏れは、静電容量、電圧、温度、および電極/電解質の組み合わせの化学的安定性に依存する。室温では、漏れは非常に低いため、自己放電までの時間として数時間、数日、または数週間で指定される。たとえば、5.5 V/F パナソニック「ゴールドコンデンサ」は、20 °C で 600 時間 (25 日間または 3.6 週間) で 5.5 V から 3 V への電圧降下を二重セルコンデンサで指定している。^[94]

EDLCが充電または放電を経験すると、電圧は時間の経過とともにドリフトし、以前の電圧レベルに向かって緩和することが観察されています。観察された緩和は数時間にわたって発生する可能性があり、EDLC内の多孔質電極の拡散時間定数が長いためであると考えられます。^[89]

対称型スーパーキャパシタの正極と負極 (またはそれぞれ単に陽極と陰極) は同じ材料で構成されているため、理論的にはスーパーキャパシタには真の極性がなく、通常は壊滅的な故障は発生しません。ただし、スーパーキャパシタを逆充電すると容量が低下するため、製造中に電極を形成した結果として生じる極性を維持することが推奨されます。非対称型スーパーキャパシタは本質的に極性があります。

電気化学的電荷特性を持つ擬似キャパシタおよびハイブリッドスーパーキャパシタは、逆極性で動作させることができないため、AC動作では使用できません。ただし、この制限はEDLCスーパーキャパシタには適用されません。

絶縁スリーブ内のバーは、有極コンポーネントの負極端子を識別します。

一部の文献では、負極と正極の代わりに「アノード」と「カソード」という用語が使用されています。スーパーキャパシタ（およびリチウムイオン電池を含む充電式電池）の電極をアノードとカソードで表現すると、コンポーネントが電流の発電機と見なされるか、電流の消費者と見なされるかによって極性が変わるため、混乱を招く可能性があります。電気化学では、カソードとアノードはそれぞれ還元反応と酸化反応に関連しています。ただし、電気二重層容量に基づくスーパーキャパシタでは、2 つの電極のいずれにも酸化反応も還元反応もありません。したがって、カソードとアノードの概念は適用されません。

利用可能な電極と電解質の範囲により、多様な用途に適したさまざまなコンポーネントが生まれます。低抵抗電解質システムの開発と、高い擬似容量を持つ電極の組み合わせにより、さらに多くの技術的ソリューションが可能になります。

次の表は、さまざまなメーカーのコンデンサの静電容量範囲、セル電圧、内部抵抗 (ESR、DC または AC 値)、および体積比エネルギーと重量比エネルギーの違いを示しています。表の ESR は、各メーカーの最大の静電容量値を持つコンポーネントを指します。大まかに言えば、スーパーコンデンサは 2 つのグループに分けられます。最初のグループは、約 20 ミリオームのより高い ESR 値と、0.1 ～ 470 F の比較的小さい静電容量を提供します。これらは、メモリ バックアップまたは同様のアプリケーション用の「二重層コンデンサ」です。2 番目のグループは、100 ～ 10,000 F を提供し、1 ミリオーム未満の大幅に低い ESR 値を提供します。これらのコンポーネントは、電力アプリケーションに適しています。さまざまなメーカーのいくつかのスーパーコンデンサ シリーズとさまざまな構造特性との相関関係は、Pandolfo と Hollenkamp で提供されています。^[38]

市販の二重層コンデンサ、より具体的には、エネルギー貯蔵が主に二重層静電容量によって達成される EDLC では、導電性電極の表面に電解質イオンの電気二重層を形成することによってエネルギーが貯蔵されます。EDLC は電池の電気化学的電荷移動速度に制限されないため、はるかに高速で充放電でき、寿命は 100 万サイクル以上です。EDLC エネルギー密度は、動作電圧と電極/電解質システムの比静電容量 (ファラッド/グラムまたはファラッド/cm ³ ) によって決まります。比静電容量は、電解質がアクセスできる比表面積 (SSA)、界面の二重層静電容量、および電極材料の密度に関連しています。

市販のEDLCは、有機溶媒中のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート塩を含む電解質を含浸させた2つの対称電極に基づいています。有機電解質を含む現在のEDLCは2.7Vで動作し、エネルギー密度は約5〜8Wh/kgおよび7〜10Wh/Lに達します。比静電容量は、電解質がアクセスできる比表面積（SSA）、界面二重層静電容量、および電極材料密度に関連しています。メソポーラススペーサー材料を使用したグラフェンベースのプレートレットは、電解質のSSAを高めるための有望な構造です。^[95]

スーパーキャパシタは多種多様であるため、特に比エネルギーが高いものは互換性がほとんどありません。用途は低ピーク電流から高ピーク電流まで多岐にわたり、標準化されたテストプロトコルが必要です。^[96]

試験仕様およびパラメータ要件は、一般仕様IEC / EN 62391–1 「電子機器用固定電気二重層コンデンサ」に規定されています。

この規格では、放電電流レベルに応じて 4 つのアプリケーション クラスが定義されています。

1. メモリバックアップ
2. エネルギー貯蔵は主に短時間の動作を必要とするモーターの駆動に使用され、
3. 電力、長時間動作のためのより高い電力需要、
4. 瞬時電力、比較的高い電流ユニットや、動作時間が短くても数百アンペアに達するピーク電流を必要とするアプリケーション向け

さらに 3 つの標準では、特殊なアプリケーションについて説明しています。

• IEC 62391–2、電子機器用固定電気二重層コンデンサ - ブランク詳細仕様 - 電力用途向け電気二重層コンデンサ
• IEC 62576、ハイブリッド電気自動車用電気二重層コンデンサ。電気特性の試験方法
• BS/EN 61881-3、鉄道用途。鉄道車両設備。パワーエレクトロニクス用コンデンサ。電気二重層コンデンサ

スーパーキャパシタは、比較的短時間に大量の電力が必要で、非常に多くの充電/放電サイクルや長い寿命が求められる用途で有利です。一般的な用途は、最大数分間ミリアンペアの電流またはミリワットの電力から、はるかに短い期間で数アンペアの電流または数百キロワットの電力までの範囲です。

スーパーキャパシタは交流 (AC) アプリケーションをサポートしていません。

ノートパソコン、PDA、GPS、ポータブルメディアプレーヤー、ハンドヘルドデバイス、^[97]、太陽光発電システムなど、変動する負荷のあるアプリケーションでは、スーパーキャパシタが電源を安定させることができます。

スーパーキャパシタは、デジタルカメラのフラッシュやLEDフラッシュライトに電力を供給し、90秒など非常に短い時間で充電することができます。^[98]

一部のポータブルスピーカーはスーパーキャパシタで駆動します。^[99]

エネルギー貯蔵用のスーパーキャパシタを備えたコードレス電動ドライバーは、同等のバッテリーモデルに比べて動作時間が約半分ですが、90秒で完全に充電できます。3か月間使用せずに放置しても、85%の充電量を維持します。^[100]

EV充電器、HEV、空調システム、高度な電力変換システムなど、多数の非線形負荷は、電流変動と高調波を引き起こします。 ^{[101] [102]}これらの電流差は、不要な電圧変動を引き起こし、したがってグリッド上で電力振動を引き起こします。^[101]電力振動はグリッドの効率を低下させるだけでなく、共通結合バスでの電圧降下や、システム全体にわたるかなりの周波数変動を引き起こす可能性があります。この問題を克服するために、スーパーキャパシタを負荷とグリッド間のインターフェースとして実装し、グリッドと充電ステーションから引き出される高パルス電力との間のバッファとして機能させることができます。^{[103] [104]}

スーパーキャパシタは、 RAM、SRAM、マイクロコントローラ、PCカードなどの低電力機器にバックアップ電源や緊急シャットダウン電源を提供します。これらは、自動メータ読み取り（AMR）^[105]機器などの低エネルギーアプリケーションや産業用電子機器のイベント通知のため の唯一の電源です。

スーパーキャパシタは、充電式バッテリーとの間の電力をバッファリングし、短時間の停電や高電流ピークの影響を軽減します。バッテリーは、主電源や燃料電池が故障した場合など、長時間の停電時にのみ作動し、バッテリー寿命を延ばします。

無停電電源装置（UPS）は、はるかに大きな電解コンデンサバンクを置き換えることができるスーパーキャパシタで電力を供給できます。この組み合わせにより、サイクルあたりのコストが削減され、交換およびメンテナンスコストが節約され、バッテリーの小型化が可能になり、バッテリー寿命が延びます。^{[106] [107] [108]}

スーパーキャパシタは風力タービンのピッチシステムのアクチュエータにバックアップ電源を供給するため、主電源が故障してもブレードのピッチを調整することができます。^[109]

スーパーキャパシタはダンパーとして機能し、電力線の電圧変動を安定させることができます。風力発電システムや太陽光発電システムは突風や雲によって引き起こされる変動する供給を示しますが、スーパーキャパシタはそれを数ミリ秒以内に緩衝することができます。^{[110] [111]}

マイクログリッドは通常、クリーンで再生可能なエネルギーで稼働しています。しかし、このエネルギー生成のほとんどは、一日を通して一定ではなく、通常は需要に一致しません。スーパーキャパシタは、需要が高く、生産が一時的に低下したときに瞬時に電力を注入し、逆の状況でエネルギーを貯蔵するために、マイクログリッドストレージに使用できます。マイクログリッドはますますDCで電力を生産しており、コンデンサはDCとACの両方のアプリケーションで使用できるため、このシナリオでは役立ちます。スーパーキャパシタは、化学電池と組み合わせて使用​​すると最も効果的です。アクティブ制御システムを介して、充電および放電率が高いため、急速に変化する電力負荷を補償するための即時電圧バッファを提供します。^[112]電圧がバッファされると、インバータを介してグリッドにAC電力が供給されます。スーパーキャパシタは、この形式でACグリッドに直接周波数補正を提供することはできません。^{[113] [114]}

スーパーキャパシタは、エネルギーハーベスティングシステムに適した一時的なエネルギー貯蔵装置です。エネルギーハーベスティングシステムでは、機械的動き、光、電磁場などの周囲または再生可能なソースからエネルギーが収集され、エネルギー貯蔵装置で電気エネルギーに変換されます。たとえば、RF（無線周波数）フィールドから収集されたエネルギー（適切な整流回路としてRFアンテナを使用）は、印刷されたスーパーキャパシタに貯蔵できることが実証されています。収集されたエネルギーは、10時間以上にわたって特定用途向け集積回路（ ASIC ）に電力を供給するために使用されました。^[115]

UltraBatteryは、充電可能な鉛蓄電池とスーパーキャパシタのハイブリッドです。セル構造には、標準的な鉛蓄電池の正極、標準的な硫酸電解質、および二重層静電容量で電気エネルギーを蓄える特別に調製された炭素ベースの負極が含まれています。スーパーキャパシタ電極の存在により、バッテリーの化学的性質が変わり、高率の部分充電状態での使用における硫酸化からバッテリーを大幅に保護します。これは、このように使用されるバルブ制御鉛蓄電池の一般的な故障モードです。結果として得られるセルは、鉛蓄電池やスーパーキャパシタを超える特性を備え、充電および放電率、サイクル寿命、効率、および性能がすべて向上しています。

スーパーキャパシタは除細動器に使用され、心臓を洞調律に戻すために500ジュールの電気ショックを与えることができる。^[116]

スーパーキャパシタの内部抵抗が低いため、短時間の高電流を必要とする用途に適しています。最も初期の用途は、戦車や潜水艦の大型エンジンのモーター始動 (特にディーゼルエンジンのコールド エンジン始動) でした。スーパーキャパシタはバッテリーをバッファリングし、短時間の電流ピークを処理してサイクルを減らし、バッテリー寿命を延ばします。高い比出力を必要とするその他の軍事用途としては、フェーズド アレイ レーダー アンテナ、レーザー電源、軍事無線通信、航空電子機器のディスプレイと計器、エアバッグ展開用のバックアップ電源、GPS 誘導ミサイルと発射体などがあります。

あらゆる輸送における主な課題は、エネルギー消費量を削減し、CO2を削減することである。
₂排出量。ブレーキエネルギーの回収（回生ブレーキ）は、両方の点で役立ちます。これには、高サイクルレートで長時間にわたってエネルギーをすばやく蓄積および放出できるコンポーネントが必要です。スーパーキャパシタはこれらの要件を満たすため、輸送のさまざまなアプリケーションで使用されます。

2005年、航空宇宙システムおよび制御会社であるDiehl Luftfahrt Elektronik GmbHは、エアバス380などの旅客機で使用されるドアと避難スライドの緊急アクチュエータに電力を供給するためにスーパーキャパシタを選択しました。^[109]

トヨタのヤリスハイブリッドRコンセプトカーは、急激な電力供給にスーパーキャパシタを使用しています。PSAプジョーシトロエンは、 2014年頃から、より速い初期加速を可能にするストップ＆スタート燃料節約システムの一部としてスーパーキャパシタを使い始めました。^[117]マツダのi-ELOOPシステムは、減速中にスーパーキャパシタにエネルギーを蓄え、ストップ＆スタートシステムによってエンジンが停止している間に、車載電気システムに電力を供給します。

スーパーキャパシタは、ディーゼル電気伝送を備えたディーゼル鉄道機関車の始動システムのバッテリーを補うために使用できます。コンデンサは、完全停止時のブレーキエネルギーを捕捉し、ディーゼルエンジンの始動と列車の加速のためのピーク電流を供給し、線間電圧の安定化を保証します。運転モードに応じて、ブレーキエネルギーの回収により最大30％のエネルギー節約が可能です。メンテナンスが少なく、環境に優しい材料であることが、スーパーキャパシタの選択を促進しました。^[118]

ディーゼルと電動のハイブリッド移動式ゴムタイヤ式ガントリークレーンは、ターミナル内でコンテナを移動および積み重ねます。ボックスを持ち上げるには大量のエネルギーが必要です。負荷を下げるときにエネルギーの一部を回収できるため、効率が向上します。^[119]トリプルハイブリッドフォークリフトは、燃料電池とバッテリーを主要なエネルギー貯蔵装置として使用し、スーパーキャパシタを使用してブレーキエネルギーを貯蔵することで電力ピークを緩衝します。これらは、フォークリフトに30kWを超えるピーク電力を提供します。トリプルハイブリッドシステムは、ディーゼルまたは燃料電池システムと比較して50％以上のエネルギー節約を実現します。^[120]スーパーキャパシタで駆動するターミナルトラクターは、コンテナを倉庫に輸送します。これらは、ディーゼルターミナルトラクターに代わる、経済的で静かで汚染のない代替手段を提供します。^[121]

スーパーキャパシタは、エネルギーを削減するだけでなく、歴史的な都市地域の架空線を置き換えることで、都市の建築遺産を保護することも可能にします。このアプローチにより、多くの新しいライトレール都市線で、完全に配線するには費用がかかりすぎる架空線を置き換えることができる可能性があります。

2003年、マンハイムはボンバルディア・トランスポーテーションのMITRAC Energy Saverシステムを採用したプロトタイプのライトレール車両（LRV）を採用し、屋根に取り付けられたスーパーキャパシタユニットで機械的ブレーキエネルギーを蓄えた。^{[122] [123]}この車両には、3本の並列ラインで相互接続された2700 F / 2.7 Vの192個のコンデンサで構成されたユニットが複数含まれている。この回路により、エネルギー含有量が1.5 kWhの518 Vシステムが得られる。始動時の加速のために、この「オンボードシステム」はLRVに600 kWを供給し、架空線供給なしで車両を最大1 km走行させることができるため、LRVを都市環境にうまく統合することができる。エネルギーをグリッドに戻す従来のLRVやメトロ車両と比較して、オンボードエネルギーストレージは最大30％の節約となり、ピーク時のグリッド需要を最大50％削減する。^[124]

2009年、スーパーキャパシターにより、LRVはハイデルベルクの歴史的な市街地を架線なしで運行できるようになり、市の建築遺産が保護されました。^[要出典] SC機器は車両1台あたり27万ユーロの追加費用がかかり、運用開始から15年間で回収できると予想されていました。スーパーキャパシターは、車両が予定の停車駅にいるときに停車駅で充電されます。2011年4月、ハイデルベルクを担当するドイツの地域交通事業者ラインネッカーは、さらに11台を発注しました。^[125]

2009年、アルストムとRATPは、シタディスの路面電車に「STEEM」と呼ばれる実験的なエネルギー回収システムを搭載しました。 ^[126]このシステムには、ブレーキエネルギーを蓄える屋根に取り付けられたスーパーキャパシタが48個装備されており、これにより路面電車はルートの一部で架空電線なしで走行でき、電力供給されている停車駅で移動中に再充電できるため、路面電車に高いレベルのエネルギー自立性をもたらします。パリの路面電車ネットワークのT3ラインのポルト・ディタリー停留所とポルト・ド・ショワジー停留所の間で行われたテスト中、路面電車は平均で約16％少ないエネルギーを使用しました。^[127]

2012年に路面電車運行会社ジュネーブ公共交通は、ブレーキエネルギーを回収するためのプロトタイプの屋根搭載型スーパーキャパシタユニットを搭載したLRVのテストを開始しました。^[128]

シーメンスは、移動式ストレージを含むスーパーキャパシタ強化型ライトレール輸送システムを提供しています。^[129]

香港の南島地下鉄には2MWのエネルギー貯蔵ユニットが2台設置され、エネルギー消費量を10%削減することが期待されている。^[130]

2012年8月、中国のCSR株洲電気機関車公司は、屋根に取り付けられたスーパーキャパシタユニットを搭載した2両編成のライトメトロ電車の試作車を発表した。この電車はワイヤーなしで2km走行でき、地上設置のピックアップで駅で30秒で充電できる。サプライヤーは、この電車は中国の中小都市100か所で使用できると主張した。^{[131]スーパーキャパシタで動く路面電車7台が、2014年に中国}広州で運行開始される予定だった。スーパーキャパシタは、レールの間に設置された装置によって30秒で充電される。これにより、路面電車は最大4km走行できる。^{[132] 2017年現在、株洲のスーパーキャパシタ車両は新しい南京路面電車システムでも使用されており、}武漢で試験運用中である。^[133]

2012年、フランスのリヨンで、SYTRAL（リヨン公共交通機関管理局）は、LRV、LRT、地下鉄向けに「NeoGreen」という独自の省エネ装置を開発したAdetelグループが構築した「沿線再生」システムの実験を開始しました。^[134]

中国は2014年に、線路の間に設置された装置によって30秒で充電され、路面電車を最大4km走行させるのに十分な電力を蓄えるスーパーキャパシタで動く路面電車の使用を開始した。これは次の停留所に到着するのに十分な電力であり、そこでサイクルを繰り返すことができる。

2015年、アルストムは、路面電車の停留所に設置された地上レベルの導体レールを使用して路面電車に搭載されたスーパーキャパシタを充電するエネルギー貯蔵システムであるSRSを発表しました。これにより、路面電車は短距離であれば架空線なしで運行できるようになります。^[135]このシステムは、同社の地上レベル電力供給（APS）システムの代替として宣伝されており、 2016年にオープンしたブラジルのリオデジャネイロのVLTネットワークの場合のように、それと併用することもできます。 ^[136]

CAFはまた、 ACRシステムの形でUrbos 3トラムにスーパーキャパシタを提供しています。^[117]

アメリカのスーパーキャパシタメーカーであるマクスウェル・テクノロジーズは、特に中国で2万台以上のハイブリッドバスが加速を高めるためにこの装置を使用していると主張した。^[要出典]

ヨーロッパでスーパーキャパシタを搭載した最初のハイブリッド電気バスは、2001 年にドイツのニュルンベルクで登場しました。これは MAN のいわゆる「Ultracapbus」で、2001 年から 2002 年にかけて実際の運用でテストされました。テスト車両には、スーパーキャパシタと組み合わせたディーゼル電気駆動装置が搭載されていました。システムには、それぞれ 36 個のコンポーネントを含む 80 V の Ultracap モジュールが 8 つ搭載されていました。システムは 640 V で動作し、400 A で充電/放電できました。エネルギー量は 0.4 kWh、重量は 400 kg でした。

スーパーキャパシタはブレーキエネルギーを回収し、始動エネルギーを供給しました。従来のディーゼル車と比較して、燃料消費量は10～15％削減されました。その他の利点としては、CO2排出量の削減が挙げられます。
₂排出量の低減、静かで排出ガスのないエンジン始動、振動の低減、メンテナンスコストの削減。^{[137] [138]}

2002年、スイスのルツェルン^{[アップデート]}でTOHYCO-Riderと呼ばれる電気バスがテストされました。スーパーキャパシタは、輸送サイクルごとに誘導非接触高速充電器を介して3〜4分以内に再充電できます。^[139]

2005年初頭、上海はカパバスと呼ばれる新しい形式の電気バスを試験運行​​した。このバスは電力線なしで走行し（架線なし運行）、バスが停車するたびに（いわゆる電気傘の下）、部分的に充電し、終点で完全に充電する大型の車載スーパーキャパシタを使用している。2006年には、2つの商用バス路線がカパバスの使用を開始した。そのうちの1つは上海の11番路線である。スーパーキャパシタバスはリチウムイオン電池バスよりも安価であると推定され、そのバスの1つはディーゼルバスのエネルギーコストの10分の1で、生涯燃料費を20万ドル節約した。^[140]

トライブリッドと呼ばれるハイブリッド電気バスは、 2008年にウェールズのグラモーガン大学によって学生輸送用に発表されました。このバスは水素燃料または太陽電池、バッテリー、ウルトラキャパシタで駆動します。^{[141] [142]}

モーターレースの統括団体であるFIAは、2007年5月23日のF1用パワートレイン規制フレームワークバージョン1.3で、並列に接続されたバッテリーとスーパーキャパシターで作られた「スーパーバッテリー」を使用した最大200kWの入出力電力のハイブリッドドライブを含む新しいパワートレイン規制を発行することを提案しました（ KERS）。^{[143] [144]} KERSシステムを使用すると、タンクからホイールまでの効率が約20％に達する可能性があります。ルマンプロトタイプルールに基づいて開発されたレーシングカーであるトヨタTS030ハイブリッドLMP1カーは、スーパーキャパシターを備えたハイブリッドドライブトレインを使用しています。^{[145] [146]} 2012年のル・マン24時間レースでは、TS030が予選で最速ラップを記録し、最速車であるフライホイール蓄電装置付きアウディR18 e-tron quattroよりわずか1.055秒遅いタイム（3:24.842対3:23.787）で^予選を通過した。急速充放電能力がブレーキと加速の両方に役立つスーパーキャパシタとフライホイール部品により、アウディとトヨタのハイブリッド車がレースで最速の車となった。2012年のル・マンレースでは、2台のTS030が競合し、そのうち1台はレースの一部でリードしていたが、スーパーキャパシタとは関係のない理由で両方ともリタイアした。TS030は、2012年のFIA世界耐久選手権シーズンの8レースのうち3レースで優勝した。 2014年、トヨタTS040ハイブリッドはスーパーキャパシタを使用して2つの電気モーターから480馬力を追加しました。^[132]

電気自動車（EV）やハイブリッド電気自動車（HEV）におけるスーパーキャパシタとバッテリーの組み合わせは、十分に研究されている。 ^{[96] [148] [149]} EVやHEVのブレーキエネルギーを回収することで、20～60%の燃料削減が主張されている。スーパーキャパシタは、バッテリーよりもはるかに速く充電でき、電気的特性が安定しており、温度範囲が広く、寿命が長いという利点があるが、重量、体積、特にコストがそれらの利点を相殺している。

スーパーキャパシタは比エネルギーが低いため、長距離走行用の単独のエネルギー源として使用するには適していません。^[150]キャパシタとバッテリーソリューションの燃費向上率は約20%で、短距離走行にのみ有効です。長距離走行の場合、その利点は6%に減少します。キャパシタとバッテリーを組み合わせた車両は、実験車両でのみ走行しています。^[151]

2013年現在、^{[アップデート]}EVやHEVを製造するすべての自動車メーカーは、駆動系の効率を改善するために、バッテリーの代わりにスーパーキャパシタを使用してブレーキエネルギーを蓄えるプロトタイプを開発している。マツダ6は、ブレーキエネルギーを回収するためにスーパーキャパシタを使用している唯一の量産車である。i-eloopというブランド名の回生ブレーキは、燃料消費を約10％削減するとされている。^[152]ロシアのYo-cars Ё-mobileシリーズは、ガソリン駆動の回転ベーン型とトラクションモーターを駆動するための発電機を備えたコンセプトカーで、クロスオーバーハイブリッド車であった。比較的低容量のスーパーキャパシタは、停止状態から加速するときにブレーキエネルギーを回収して電気モーターに電力を供給する。 ^[153]トヨタのヤリスハイブリッドRコンセプトカーは、急激な電力のバーストを提供するためにスーパーキャパシタを使用している。 [ ^132] PSAプジョー・シトロエンは、ストップ・スタート燃料節約システムの一部として、一部の車にスーパーキャパシタを搭載しました。これにより、信号が青になったときにエンジンをより速く始動できるようになります。^[132]

オーストリアのツェル・アム・ゼーでは、空中リフトが街とシュミッテンヘーエ山を結んでいる。ゴンドラは照明、ドア開閉、通信に電力を使用し、24時間運行することもある。駅でバッテリーを充電できるのは、ゲストの乗降の短い時間のみで、バッテリーを充電するには短すぎる。スーパーキャパシタは、バッテリーよりも急速充電、サイクル数の増加、寿命の延長を実現している。エミレーツ・エア・ライン（ケーブルカー）は、テムズ・ケーブルカーとしても知られ、英国ロンドンにある全長1キロメートルのゴンドラ路線で、グリニッジ半島からロイヤル・ドックスまでテムズ川を渡っている。キャビンには、スーパーキャパシタで駆動する最新のインフォテインメントシステムが装備されている。^{[154] [155]}

2013年現在、^{[アップデート]}市販されているリチウムイオンスーパーキャパシタは、これまでで最高の重量比エネルギーを提供し、15Wh/kgに達しています（54 kJ/kg）。研究は、比エネルギーの向上、内部抵抗の低減、温度範囲の拡大、寿命の延長、コストの削減に重点を置いています。^[22]プロジェクトには、カスタマイズされた細孔サイズの電極、擬似容量コーティングまたはドーピング材料、および電解質の改良が含まれます。

電極材料の研究で は、電極や半電池などの個々のコンポーネントの測定が必要です。^[176]測定に影響を与えない対電極を使用することで、対象の電極のみの特性を明らかにすることができます。実際のスーパーキャパシタの比エネルギーと電力は、電極密度のおよそ1/3しかありません。

2016年現在、^{[アップデート]}スーパーキャパシタの世界売上高は約4億ドルである。^[177]

電池市場（フロスト＆サリバンによる推定）は475億ドル（76.4%、363億ドルが充電式電池）から950億ドルに成長した。^[178]スーパーキャパシタ市場は依然としてニッチな小規模市場であり、より大きなライバルに追いついていない。

IDTechExは2016年に売上高が2億4000万ドルから2026年までに20億ドルに成長し、年間約24％増加すると予測した。^[179]

2006年のスーパーキャパシタのコストは1ファラッドあたり0.01米ドル、1キロジュールあたり2.85米ドルであったが、2008年には1ファラッドあたり0.01米ドルを下回り、中期的にはさらに下がると予想された。^[180]

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