コンデンサは2端子の受動部品であり、電子機器で広く使用されています。ほとんどの場合、電子機器に見られるすべての回路は、さまざまな用途に1つまたは複数のコンデンサを使用します。コンデンサは、抵抗器に次いで最も使用されている電子部品です。彼らはエネルギーを蓄える特別な能力を持っています。市場にはさまざまな種類のコンデンサがありますが、最近人気が出ており、将来的にバッテリの交換または代替が約束されているのは、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタとしても知られています。 。スーパーキャパシターは、通常のコンデンサーよりもはるかに高い静電容量値を持つが、電圧制限が低い大容量コンデンサーに他なりません。それらは、電解コンデンサーよりも単位体積または質量あたり10〜100倍のエネルギーを蓄積でき、よりもはるかに速く電荷を受け取り、供給することができます。バッテリーであり、充電式バッテリーよりも多くの充放電サイクルに耐えます。
スーパーキャパシターまたはウルトラキャパシターは、現代で大きく開発された新しいエネルギー貯蔵技術です。スーパーキャパシタは、重要な産業的および経済的利益を提供しています
コンデンサの静電容量は、0.1uF（マイクロファラッド）、1mF（ミリファラッド）のようにファラッド（F）で測定されます。ただし、電子機器では低い値のコンデンサが非常に一般的ですが、非常に高い値のコンデンサも利用できます。これらのコンデンサは、エネルギーをはるかに高密度で保存し、非常に高い静電容量値で利用できます。
上の画像では、ローカルで利用可能な2.7V、1Faradスーパーキャパシタの画像が示されています。定格電圧ははるかに低いですが、上記のコンデンサの静電容量はかなり高いです。
スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタの利点
スーパーキャパシタの需要は日々高まっています。急速な開発と需要の主な理由は、スーパーキャパシタの他の多くの利点によるものですが、それらのいくつかを以下に示します。
- 約100万回の充電サイクルという非常に優れた寿命を提供します。
- 動作温度はほぼ-50度から70度であり、民生用アプリケーションでの使用に適しています。
- バッテリーで実現する最大50倍の高電力密度。
- 有害物質、有毒金属は、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタの製造プロセスの一部ではないため、使い捨てコンポーネントとして認定されています。
- バッテリーよりも効率的です。
- 電池に比べてメンテナンスが不要です。
スーパーキャパシターはその電界にエネルギーを蓄えますが、バッテリーの場合、それらはエネルギーを蓄えるために化合物を使用します。また、急速な充電と放電が可能なため、スーパーキャパシタはゆっくりとバッテリー市場に参入しています。非常に高い効率、メンテナンスコストなし、より長い寿命を備えた低い内部抵抗が、現代の電源関連市場での高い需要の主な理由です。
コンデンサのエネルギー
コンデンサは、Q = C xVの形式でエネルギーを蓄積します。Qはクーロン単位の電荷、Cはファラッド単位の静電容量、Vはボルト単位の電圧を表します。したがって、静電容量を増やすと、蓄積されたエネルギーQも増加します。
静電容量の単位は、M。ファラデーにちなんで名付けられたファラッド（F）です。ファラッドは、クーロン/ボルトに関する静電容量の単位です。1ファラッドのコンデンサと言えば、1クーロンの電荷に応じて、プレート間に1ボルトの電位差が生じます。
1ファラッドは、一般的な電子部品として使用できる非常に大きな値のコンデンサです。エレクトロニクスでは、一般的に、マイクロファラッドからピコファラッドへの静電容量が使用されます。マイクロファラッドがuFのように表される（1 / 1,000,000ファラッド又は10 -6 F）は、ナノファラドはnFのように（1 /10億又は10 -9 F）及びピコpFのようファラド（1 / 1,000,000,000,000 OR 10 -12 F）
mFから数ファラッド（一般に<10F）のように値がはるかに高くなる場合、コンデンサはプレート間ではるかに多くのエネルギーを保持できることを意味し、そのコンデンサはウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタと呼ばれます。
キャパシタに蓄積されたエネルギーは、= E½CV 2ジュール。Eはジュール単位の蓄積エネルギー、Cはファラッド単位の静電容量、Vはプレート間の電位差です。
の建設
スーパーキャパシタは電気化学デバイスです。興味深いことに、その電気エネルギーを蓄える化学反応はありません。それらは、非常に小さな表面積で近接して配置された大きな導電性プレートまたは電極を備えた独特の構造を持っています。その構造は、電極間に液体または湿潤電解質を備えた電解コンデンサと同じです。ここでは、さまざまなタイプのコンデンサについて学ぶことができます。
スーパーキャパシタは、導電性電極間の電界としてその電気エネルギーを蓄積する静電デバイスとして機能します。
赤と青の電極は両面コーティングされています。それらは一般に、カーボンナノチューブまたはゲルまたは特殊なタイプの導電性活性炭の形のグラファイトカーボンでできています。
電極間の大きな電子の流れを遮断し、陽イオンを通過させるために、多孔質の紙膜が使用されます。紙の膜も電極を分離します。上の画像でわかるように、多孔質の紙の膜は中央にあり、緑色です。電極とペーパーセパレーターには液体電解質が含浸されています。アルミホイルは、電気接続を確立する集電体として使用されます。
分離プレートとプレートの面積は、コンデンサの静電容量値に影響します。関係は次のように表すことができます
ここで、Ɛはプレート間に存在する材料の誘電率です。
Aはプレートの面積です
Dはプレート間の間隔です
そのため、スーパーキャパシタの場合、接触面を大きくする必要がありますが、限界があります。コンデンサの物理的な形状やサイズを大きくすることはできません。この制限を克服するために、特殊なタイプの電解質を使用してプレート間の導電率を高め、静電容量を増やします。
スーパーキャパシタは、二重層キャパシタとも呼ばれます。その背後には理由があります。特殊な電解質を使用した非常に小さな分離と大きな表面積により、電解イオンの表面層は二重層を形成します。これは、各炭素電極に1つずつ、2つのコンデンサ構造を作成し、二重層コンデンサと呼ばれます。
これらの構造には欠点があります。電解液の分解電圧により、コンデンサ両端の電圧が非常に低くなりました。電圧は電解質の材料に大きく依存し、その材料はコンデンサの電気エネルギー貯蔵容量を制限する可能性があります。そのため、端子電圧が低いため、スーパーキャパシタを直列に接続して、有用な電圧レベルで電荷を蓄積することができます。このため、直列のスーパーコンデンサは通常よりも高い電圧を生成し、並列では容量が大きくなります。これは、以下のスーパーキャパシタアレイ構築手法によって明確に理解できます。
スーパーキャパシタアレイの構築
有用な必要な電圧で電荷を蓄積するには、スーパーキャパシタを直列に接続する必要があります。また、静電容量を増やすには、並列に接続する必要があります。
スーパーキャパシタのアレイ構造を見てみましょう。
上の画像では、単一セルまたはコンデンサのセル電圧はCvで示され、単一セルの静電容量はCcで示されています。スーパーキャパシタの電圧範囲は1V〜3Vで、直列接続により電圧が増加し、並列のコンデンサが増えると静電容量が増加します。
アレイを作成すると、直列の電圧は次のようになります。
総電圧=セル電圧（Cv）x行数
そして並列の静電容量は
総静電容量=セル静電容量（Cc）x（列数/行数）
例
バックアップストレージデバイスを作成する必要があります。そのためには、6V定格の2.5Fスーパーキャパシタまたはスーパーキャパシタが必要です。
定格3Vの1Fコンデンサを使用してアレイを作成する必要がある場合、アレイのサイズとコンデンサの数量はどうなりますか？
合計電圧=セル電圧x行番号次に 、行番号= 6/3 行番号= 2
直列の2つのコンデンサの電位差が6Vになることを意味します。
さて、静電容量、
総静電容量=セル静電容量x（列番号/行番号） 次に、列数=（2.5 x 2）/ 1
したがって、2行5列が必要です。
配列を作成してみましょう。
アレイに蓄えられた総エネルギーは
スーパーキャパシタは、エネルギーの貯蔵や、急速な充電または放電が必要な場所に適しています。バックアップ電源や急速放電が必要なバックアップデバイスとして広く使用されています。それらはさらに、プリンター、自動車、およびさまざまな飲料用電子機器で使用されます。