電気二重層キャパシタ ガイド

電気二重層キャパシタの基礎知識

—— 電気二重層キャパシタは、コンデンサと違うのですか？

電気二重層キャパシタ（電気二重層コンデンサ, Electric double-layer capacitor : EDLC）は、コンデンサと二次電池の中間に位置する蓄電デバイスです。コンデンサとして捉えた場合の静電容量は、数十F （ファラッド）以上にも達し、一般のコンデンサとは大きくかけ離れています（図1）。しかしながら、電気的な特性面ではまさにコンデンサです。例えば、電気二重層キャパシタは放電に際し、コンデンサと同様に、放電直後から直線的（注：定電流放電の場合）に電圧が低下する特性を示します。これに対して、電池では、一定の電圧を保った後、電圧が低下します（図2）。

—— コンデンサとは、仕組みが違うのですか？

電気二重層キャパシタは、電気二重層を誘電体とした、対面電極のコンデンサ構造をしています。 電気二重層は、固体と液体との間で自発的に生じ、充電によって、電子またはホールが互いに引き合って整列している状態を言います（図5）。図で分かるとおり、両方の電極表面に形成されますが、等価的に電極間の距離が、ナノメートルオーダと極めて近いので、大容量を実現できます。他方、距離が近いことから、大きな耐圧を得ることが難しいという面もあります。また、電気二重層キャパシタの充電と放電は、イオンの移動によるものであり、電池と異なり化学反応を伴わないので、充放電により劣化が少なく長寿命であるとともに、内部抵抗（コンデンサで言う等価直列抵抗：ESR）が小さく、良好な充放電特性が得られる特長を持ちます。

—— 電気二重層キャパシタは、どんなところに使うのでしょうか？

電気二重層キャパシタは、コンデンサと電池の中間に位置する蓄電デバイスですので、蓄電機能を利用するアプリケーションがまず考えられます。例えば、家電品などの待機電力源、瞬時停電や電源電圧低下などのバックアップ電源、非常灯などの局所電源です。

次に、優れた充放電特性を利用する用途として、変動が大きな充放電システムに対するアシストが挙げられます。具体的には、太陽光や風力発電システムなどにおいて、発電時に電気二重層キャパシタに蓄えた電力を急負荷時に放出することで負荷変動を平準化し、システムの耐力を増すロードレベリング用途があります。EVやHEVなどの自動車用途では、これに加えて、電力回生時のレベリングといったアシスト効果も期待できます（図7）。

—— 電気二重層キャパシタを使用する際の設計上の留意点は？

設計は、電気二重層キャパシタをコンデンサとして考え、システムに必要なエネルギー量から電気二重層キャパシタの総容量を決めることからスタートします。

実際にはまず、必要な電圧 [V] と電流 [A] から電力 [W→J/s]、さらに持続時間 [s または h] から必要なエネルギー量Ja [J] を求めます。一方、容量C [F] のコンデンサに蓄えられるエネルギーは 1/2×C×V^2  [J] ですので、放電開始時の電圧をV1、放電終了時の電圧をV2とすれば、供給エネルギーJb [J] は図8の式で与えられ、Ja＝Jbとすることでコンデンサの容量を決めることができます。