キャパシタとコンデンサ−は厳密には異なる!?EDLCの原理

キャパシタとコンデンサーは厳密には異なる!?キャパシタの原理

 

電池に似た電気的なデバイスとしてキャパシタやコンデンサーがあります。

 

従来では、キャパシタやコンデンサーは電池とは異なり静電気的な力により充放電できるデバイスとして、同じ括りで捉えられていました。

 

ただし、最近ではキャパシタとコンデンサ−は別々に捉えれられるようになってきており、こちらのページでは、

 

・キャパシタとコンデンサーは厳密には異なる!?

 

・電気二重層キャパシタ(EDLC)の原理

 

・EDLCの構成材料 正負極の概要

 

・EDLCの構成材料 電解液の概要

 

・EDLCの構成材料 セパレータの概要

 

 

について解説しています。

 

 

キャパシタとコンデンサーは厳密には異なる!?

コンデンサー(日本語名)は、英語表記しますとcapacitorであり、キャパシタとも呼ばれます。

 

ただし、最近ではキャパシタと呼びますと、電気二重層を利用した電気二重層キャパシタや擬似キャパシタと呼ばれるもののことを指し、従来の積層セラミックコンデンサなどとは別ものと捉えている風潮が日本ではあります。

 

そのため、キャパシタとコンデンサーは厳密には異なるものとして捉えられ始めているので、もしこれらの言葉が出てきた際には、どのデバイスのことを指しているのか、きちんと確認してから話しましょう。

 

ちなみに、キャパシタ、コンデンサーと電池との違いはこちらで解説しています。

 

 

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電気二重層キャパシタと電池との違い

 

 

 電気二重層キャパシタの原理

 

正、負極に対応する電極を電解液に浸し、電圧を印加しますとまず電気二重層が形成されます。

 

このとき、電荷の輸送も行われていますので、充電電流が流れます。

 

また、電気二重層の形成は非常に速い反応であるため、電気二重層キャパシタでは急速な充放電が可能です。

 

 

さらに、放電をすれば電気二重層が無くなり、正極近傍に存在したアニオンが液中に拡散し、負極近傍に存在したカチオンも液中に拡散されるという仕組みです。

 

つまり、電気二重層の形成、破壊の原理を利用しているため、電気二重層キャパシタ(EDLC)と呼ばれます。

 

そして、厳密に表現した場合のキャパシタの一つにこのEDLCが挙げられます。

 

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EDLCの構成材料 正負極の概要

EDLCは正極、負極、電解液、セパレータ、外部筐体などから構成されます。
 
まず、リチウムイオン電池など二次電池では正負極の材料の電気化学ポテンシャルの差を利用して反応を起こすため、正極と負極で異なる材料を使用する必要があります。

 

これに対して、EDLCでは電気二重層の形成、破壊が充放電反応に対応するため、同じ材料で良く、両極ともにアルミニウムの薄膜を集電体(電気を集める部材)とし、その上に活物質である活性炭を含んだ合剤を塗布、乾燥させたものが使用されています。

 

活性炭は多孔質であり、比表面積が非常に大きいため、反応面積が大きく、従来のコンデンサ−よりもエネルギー密度が大きくなっています。

 

ただし、比表面積をあげようと細孔径を小さくし過ぎると今度は電解液の含浸性が悪くなり、結果反応面積の低下や抵抗上昇に繋がるため、最適化が必要です。

 

 

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EDLCの構成材料 電解液の概要

電解液には、主に有機溶剤系のものが使用されています。

 

求められる特性としましては、リチウムイオン電池の電解液と類似しており、電位窓の広さや高い電気伝導度(誘電率と粘度のバランス)、コストや安全性が挙げられます。

 

簡単に説明しますと、EDLCの最も大きな特徴である高いレート特性(急速充放電)を実現させるためには、高い電気伝導度(つまり誘電率の高い材料でたくさんのイオンを解離させ、低い粘度でそのイオンを速く運ぶ)であることが内部抵抗の低減につながり、非常に重要です。

 

これは、リチウムイオン電池でもほぼ同じ理由で求められ特性が同じです。

 

これらを満たす材料として、EDLCでは溶媒にPC(プロピレンカーボネート)やガンマブチロラクトン(GBL)が主に使用されています。

 

ただし、リチウムイオン電池では負極に黒鉛を使用し初回充電時にSEIという被膜ができることでうまく作動するのですが、PCを使用するとこの皮膜ができないためEC(エチレンカーボネート)が使用されています。

 

そして溶媒に、TEA BF4(テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート)、TEMA BF4(トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート)などの、4級アンモニウム塩を溶かしたものが使用されることが一般的です。

 

リチウムイオン電池と異なり、Li含有塩を使用する必要がなく、その溶解性や電気伝導度の向上のみに着目すればよいため、自由度がリチウムイオン電池より上がるといえます。

 

 

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EDLCの構成材料 セパレータの概要

セパレータは正負極の短絡を防止しつつ、イオンの通過、電解液保液の役割を持ちます。

 

リチウムイオン電池と役割は同じであり、EDLCで採用されているセパレータとしましてはPP,PEなどのポリオレフィン系セパから不織布、ガラス繊維セパなどの多孔体が挙げられます。

 

厚みは数十μmオーダーと非常に薄くすることでキャパシタとしての高容量化が図られています。

 

 

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