電気二重層キャパシタとは?電池との違いは?

電気二重層キャパシタとは? 電池との違いは?

 

こちらのページでは、電池と似たような装置として一般的にとらえられている

 

・電気二重層キャパシタとは何か?

 

・電気二重層キャパシタと電池との違いは?

 

について解説しています。

 

 

電気二重層キャパシタとは何か?

まず、電気二重層という言葉について解説します。

 

電気二重層とは、電極と電解液から構成される電池やキャパシタ(コンデンサー)などの電気化学デバイスにおいて電極間に電圧をかけた際に、電極と異符号の電荷が相対的に増えている領域のことを指します。

 

(かける電圧は電解液などのデバイス構成物質が分解しない範囲でかけます)

 

以下にに電気二重層のイメージを示します(電気二重層やそのモデルの詳細はこちらで解説しています

 

 

 

(逆に電極側に蓄えられている電荷のことを表面電荷と呼びます。)

 

外部から電圧をかけることで上記のよう電気二重層が形成、つまり電荷が移動するため、容量を持ちます(充放電できます)。

 

さらに、この電気二重層は向かい合う異なる符号を持った二つの平板として機能するため、コンデンサー(キャパシタ)として利用できるのです。

 

この電気二重層の性質を利用したコンデンサー(キャパシタ)のことを電気二重層キャパシタと呼び、従来のコンデンサー(キャパシタ)よりも容量が大きいなどのメリットがあり、近年では大きく注目されています。
 
 
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電池と電気二重層キャパシタの違い

それでは、次に電池と電気二重層キャパシタの違いについて解説します。

 

このページで説明します電池とは充放電できる二次電池のことを指しており、その中でも現在市販されている電気二重層キャパシタと近い構成材料であるリチウムイオン電池として解説いたします。

 

 

 電池と電気二重層キャパシタの特徴の違い

 

電池も電気二重層キャパシタも両方とも電気化学的な反応を利用したデバイスと言えますが、この二つのデバイスの大きな特徴の違いは@容量(エネルギー密度)、A充放電の速度といえます。

 

電池の方が容量が大きく(エネルギー密度が高く)、充放電の速度が遅いです。

 

逆に電気二重層キャパシタは容量が小さく(エネルギー密度が小さく))、充放電の速度が速いです。

 

 

 

 

 

反応メカニズムの違い

 

上記の特徴の違いは、電池と電気二重層キャパシタでそもそもの反応メカニズムが異なることに由来しています。

 

以下に各々の反応メカニズムについて解説します。

 

電池を使用する時@電気二重層の充電、A活物質とLiイオンの電子授受反応、B活物質内のLiイオンの拡散反応というプロセスを経て反応が起きます。

 

一方電気二重層キャパシタは、@電気二重層の充電のみで反応が終わります。
 
つまり電池は電気二重層の形成という静電気的な反応の後に、活物質にイオンが取り込まれる反応が起こるのに対して、電気二重層キャパシタは電気二重層の形成のみで終わるということが違いです。
 
そして、反応速度的には電気二重層の形成は静電気的な反応であるために、電池でおこる活物質とLiイオンの電子授受反応や活物質内拡散反応よりも、非常に反応が速いです。
 
そのため、電気二重層キャパシタの方が充放電の反応速度が速く、逆に電池の方が反応速度が遅いといえます。

また、電気二重層キャパシタでは電気二重層分の容量のみを蓄えることができますが、電池では電気二重層に加えて活物質内に大量の電気エネルギーを蓄えることが出来るために、容量が大きいという特徴があります。
 
再度、まとめ図を記載させていただきますね。

 

 

 

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