スーパーキャパシタとバッテリとの関係を理解する
著者 Art Pini 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-05-14
マルツ掲載日：2024-09-30
IoT、産業用IoT(IIoT)、ポータブル電子機器、産業プラントやデータセンターなどの大規模アプリケーションの台頭により、信頼性の高いエネルギー貯蔵源に対するニーズは劇的に高まっています。バッテリは小型の機器に直接電力を供給する一方、大型のアプリケーションでは、主電源が停止した場合のバックアップ用として頻繁に使用されます。
小型機器は、小型化と最小限のメンテナンスという目標を達成するために、リチウムイオン(Li-ion)バッテリやアルカリコインバッテリに頼ることが多くなります。リチウムイオンバッテリは、充電サイクルの限界と安全性に細心の注意を払う必要があります。
バックアップ用のバッテリは、急速充電をするとすぐに消耗するため、交換が必要です。これらのバッテリはまた、複雑なバッテリ管理システムを必要とし、安全上の懸念につながる熱暴走の可能性を依然として持っています。
電気二重層コンデンサ(EDLC)、すなわちスーパーキャパシタは、バッテリを補完する技術を提供します。バッテリが比較的長時間電力を供給できるのに対し、スーパーキャパシタは短時間で電力を供給できます。
また、スーパーキャパシタは環境にやさしく、熱暴走の心配がなく、最長20年間は確実に動作します。エネルギー貯蔵方法として単独で、あるいはバッテリと組み合わせて、あるいは電力供給を最適化するためのハイブリッドデバイスとして使用することができます。
この記事では、スーパーキャパシタとバッテリの関係について簡単に説明します。続いて、スタンドアロンとバッテリを組み合わせた典型的なアプリケーションをいくつか紹介します。Eatonのスーパーキャパシタを例に挙げて説明します。
スーパーキャパシタとバッテリの違い
スーパーキャパシタは、バッテリのような電気化学的蓄電デバイスに比べて電力容量が極めて高いエネルギー貯蔵デバイスです。バッテリとスーパーキャパシタは、電力を供給するという点では似たような機能を果たしますが、動作は異なります。
スーパーキャパシタは、一定の放電電流に対する放電プロファイルが電圧の線形減少を示すという点で、従来のキャパシタと同様に動作します。バッテリとは異なり、スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵は静電気的であるため、デバイス内の化学変化はなく、充放電操作はほぼ完全に可逆的です。これは、より多くの充放電サイクルに耐えられることを意味します。
バッテリは電気化学的にエネルギーを貯蔵します。リチウムイオンバッテリの放電プロファイルは平坦で、バッテリがほぼ完全に放電するまでほぼ一定の電圧特性を示します。化学的メカニズムの劣化により、リチウムイオンバッテリの充放電サイクル数には限界があります。温度、充電電圧、放電の深さなどの要因がバッテリ容量の減少に影響します。
リチウムイオンバッテリは熱暴走、自己発火、さらには爆発の危険性があります。抵抗加熱による充放電時の化学反応による発熱は避けられません。このため、バッテリはユーザーの安全を確保するために温度監視が必要です。
スーパーキャパシタとリチウムイオンバッテリの仕様比較
バッテリは高いエネルギー密度を提供します。スーパーキャパシタはバッテリよりもエネルギー密度は低いですが、ほぼ瞬時に放電できるため電力密度は高いです。バッテリの電気化学的プロセスは、負荷にエネルギーを供給するのに時間がかかります。どちらのデバイスも、特定のエネルギー貯蔵ニーズに適合する特徴を備えています(図1)。
図1：スーパーキャパシタとリチウムイオンバッテリの特徴の比較。(画像提供：Eaton)
エネルギー密度(単位：ワット時/リットル(Wh/L))と電力密度(単位：ワット/リットル(W/L))を比較すると、デバイス間で最も大きな違いがあることがわかります。これは放電時間にも影響します。
スーパーキャパシタは短い間隔(過渡現象)でエネルギーを供給することを目的としています。一方、バッテリは長時間エネルギーを供給します。スーパーキャパシタは数秒から数分で放電しますが、バッテリは何時間もエネルギーを供給できます。この特性は用途に影響します。
スーパーキャパシタはバッテリよりも広い動作温度範囲に対応しています。また、ほぼ無損失の静電プロセスも、効率の高さと充電速度の速さに貢献しています。
スーパーキャパシタの例
Eatonは、高電力密度と急速充電を必要とするエネルギー貯蔵アプリケーション向けに信頼できるスーパーキャパシタの完全なラインを提供しています。同社のスーパーキャパシタの物理的パッケージは、バッテリ、特にコイン電池のパッケージと一致することがあります。また、従来のコンデンサ円筒形パッケージでも入手可能です(図2)。
図2：スーパーキャパシタは、ラジアルリードを備えた標準的な円筒形コンデンサパッケージで入手可能で、リチウムイオンバッテリのコイン電池フォーマットに合わせたパッケージのものもあります。(画像提供：Eaton)
図2(左)に示すEaton TV1030-3R0106-Rは、最大動作電圧3Vの10ファラッド(F)スーパーキャパシタです。ラジアルリード付きの円筒形の缶に収められています。缶の直径は10.5mm(0.413インチ)、高さは31.5mm(1.24インチ)です。
動作温度範囲は－25℃～＋65℃で、2.5V以下で動作するようにディレーティングした場合は、動作温度範囲が－25℃～＋85℃に拡張されます。12.5mWhのエネルギーを貯蔵し、86.5Wのピーク電力を出力できます。50万回の充放電サイクル定格を備えています。
スーパーキャパシタは、メモリのバックアップ電源など、多くの用途でコイン電池に取って代わる可能性があります。Eaton KVR-5R0C155-R(図2 右)は、最大動作電圧が5V定格の1.5Fスーパーキャパシタです。パッケージ寸法は20mmコイン電池と同様です。ピーク電力は0.208Wで、動作温度範囲は－25℃～＋70℃です。また、50万回の充放電サイクル定格を備えています。
スーパーキャパシタのエネルギー密度の向上
スーパーキャパシタに蓄えられるエネルギーは、静電容量と充電される電圧の2乗に比例します。したがって、セル数を増やし、並列に接続することで、エネルギー密度を高めることができます。高い静電容量と高い動作電圧を持つスーパーキャパシタモジュールを構築することで、高いエネルギー密度を達成することができます(図3)。
図3：スーパーキャパシタのエネルギー密度は、複数のセルを追加し、動作電圧を上げることで高めることができます。(画像提供：Eaton)
Eaton PHVL-3R9H474-Rスーパーキャパシタ(図3 左)は、470mF、デュアルセル付き3.9Vデバイスです。導電損失を低減するため、等価直列抵抗(ESR)は0.4Ωと非常に低く、9.5Wのピーク電力を供給できます。動作温度範囲は－40℃～＋65℃です。
先に取り上げたスーパーキャパシタと同様に、50万回の充放電サイクル定格を備えています。パッケージのサイズは、高さが14.5mm(0.571インチ)、長さが17.3mm(0.681インチ)、幅が9mm(0.354インチ)です。
モジュール式のスーパーキャパシタパッケージは、かなりの量のバックアップエネルギーを供給することができます。Eaton XLR-16R2507B-R(図3 右)は500Fの静電容量を持ち、16.2Vの最大電圧で動作します。
このモジュールのESRは1.7mΩで、38.6kWのピーク電力を供給できます。動作温度範囲は－40℃～＋65℃(セル温度)です。パッケージは高さ177mm(6.97インチ)、長さ417mm(16.417インチ)、幅68mm(2.677インチ)です。
ハイブリッドスーパーキャパシタ
スーパーキャパシタとリチウムイオンバッテリの特性を融合させる取り組みの結果、リチウムイオンキャパシタ(LiC)と呼ばれるハイブリッドスーパーキャパシタが生まれました。これにより、スーパーキャパシタのエネルギー密度を高めつつ、バッテリよりも速い応答時間を実現しています。LiCは、リチウムドープ黒鉛陽極と活性炭陰極を用いた非対称構造です(図4)。
図4：ハイブリッドスーパーキャパシタは、スーパーキャパシタとリチウムイオンバッテリの特性を併せ持っています。バッテリに比べて充放電サイクルの回数が多く、放電率も高いです。(画像提供：Eaton)
ハイブリッドスーパーキャパシタの構造は、リチウム電池の電気化学的性質とスーパーキャパシタの静電特性を融合させ、設計者に大きな利点をもたらします。LiCでは電荷移動は電気化学的なプロセスですが、バッテリよりも深さが浅いため、充放電サイクルの回数が増え、放電率が高くなります。その結果、放電プロファイルはスーパーキャパシタと非常によく似ています。
たとえば、HS1016-3R8306-Rは30F、3.8Vのハイブリッドスーパーキャパシタで、ラジアルリードの円筒形パッケージに収められています。ESRは0.55Ωで、6.6Wのピーク電力を供給できます。動作温度範囲は－15℃～＋70℃で、3.5V以下で動作するようにディレーティングした場合は、動作温度範囲が－25℃～＋85℃に拡張されます。
定格寿命は、定格電圧、最大動作温度で1,000時間です。パッケージ寸法は高さ18mm(0.709インチ)、直径10.5mm(0.413インチ)です。スーパーキャパシタと同様、50万回の充放電サイクル定格を備えています。
エネルギーと電力密度のプロット
エネルギー貯蔵デバイスのエネルギー密度分布と電力密度分布は、その有用性と効果的な動作時間について多くの洞察を与えてくれます(図5)。
図5：バッテリとスーパーキャパシタデバイスのエネルギー密度対電力密度のクロスプロットは、バッテリとスーパーキャパシタの動作時間に関する洞察を提供します。(画像提供：Eaton)
グラフはエネルギー密度と電力密度をプロットしたものです。これらのパラメータの比率が時間となり、グラフにプロットされます。エネルギー密度は高いものの、電力密度が低いデバイスは左上隅にあります。
燃料電池やバッテリなどが含まれます。従来のキャパシタやスーパーキャパシタなど、電力密度は高いものの、エネルギー密度が低いデバイスは右下隅にあります。ハイブリッドスーパーキャパシタは、この2つのグループの中間に位置します。
それぞれのデバイスの時間スケールに注目してください。スーパーキャパシタでは数秒間、ハイブリッドスーパーキャパシタでは数分間、バッテリでは数時間以上も電力を供給します。
エネルギー貯蔵アプリケーション
エネルギー貯蔵装置は、1次電力が失われたときに電力を供給します。コンピュータメモリのバックアップ電源がその好例です。これまではバッテリが使用されてきましたが、スーパーキャパシタは充電/再充電のサイクル数が格段に多いため、現在ではこの用途に使われるようになっています。さらに、スーパーキャパシタを使えば、1年間稼働してもバッテリを交換する必要はありません。
スーパーキャパシタは、環境発電に依存するIoTやIIoTの設計にも使用されています。自動車でも同様の用途があり、ブレーキから回収したエネルギーを蓄えます。
スーパーキャパシタは短時間に高電力出力を供給します。非常用発電機がオンラインになるまでの10数秒の遅れを埋める必要がある重要な設備で、「ライドスルー」電力を供給するために適用できます。スーパーキャパシタは、使用期間とほぼ同じ期間で再充電され、停電後すぐにオンラインに戻すことができます。
まとめ
スーパーキャパシタは、ほとんどのエネルギー貯蔵用途でバッテリを補完する働きをします。即座に利用可能な高い電力レベルと急速な再充電時間は、短期的な電力供給に理想的です。性能を低下させることなく充電/再充電のサイクルが多いため、バッテリの交換メンテナンスと在庫コストを削減できます。
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