コンデンサの概念は古くからあります。最初はライデンの瓶として知られていました。そのプロトタイプは、加水分解された酸誘電体を含むガラス瓶です。酸に浸した導体とガラス瓶の外側にコーティングされた金属箔が2つの電極として機能します。図1に示すように、中間のガラスが誘電体材料として使用されています。Berkerは1757年に特許を申請しました。1次電池の電気エネルギーは、水性誘電体多孔質カーボンに浸したデュアル電池に蓄えられた電荷によって蓄えられると説明しています。マテリアルインターフェイス。電気化学コンデンサ(別名スーパーコンデンサ)とは何ですか?最初に挙げられるのは、酸化ハフニウム膜システムと炭素二重層によって開発された(ファラッド容量のグラムあたりの)大容量コンデンサです。このような大きな充電容量はどのようにして達成されますか?次に、何が起こっているかを調べます。
図1ライデンボトルの原理と物理マップ

I.分類と原則
電気化学コンデンサはいくつかの注目すべき特徴を持っていることが知られています:高電力密度(速い充放電、2次)、長いサイクル寿命、および比較的大きなエネルギー密度(リチウムイオン電池よりわずかに少ない)、これらはすべてエネルギー貯蔵に依存します機構。エネルギー貯蔵の原理によれば、電気化学コンデンサは一般に電気二重層コンデンサとファラデータンタルコンデンサに分けられます。もちろん、この2つを混合することは、ハイブリッドコンデンサとも呼ばれます。それぞれのエネルギー貯蔵メカニズムはどのようなもので、リチウムイオン電池とどう違うのですか?以下では、図2に示すように、基本的なエネルギー貯蔵の原則のいくつかと、リチウムイオンバッテリーとの違いを簡単に理解します。

図2電気二重層コンデンサ、ファラデータンタルコンデンサ、リチウムイオン電池の基本構成と蓄電メカニズムの比較
電気二重層コンデンサでは、表面近くに電荷が集中し、電解液中の正負イオンを引き寄せ、電極と電解液の間に静電場が形成され、エネルギーを蓄えます。両極にはそれぞれ正と負の電荷のペアがあるため、電気二重層コンデンサと呼ばれます。この反応は、非常に可逆的な物理吸着、優れたサイクル安定性(> 100,000回)、充放電の速度は非常に高速ですが、充電が制限されているためエネルギーは高くありません。ファラデータンタルコンデンサでは、電極電解液の界面を電荷が通過し、電極内または内部に埋め込まれた可変原子価物質の表面がレドックス反応を起こして電解液中のイオンと結合し、電荷の蓄積を実現します。エネルギー貯蔵メカニズムは、従来の電気二重層エネルギー貯蔵とは異なります。これらの酸化還元反応には、電極表面での急速な可逆反応や、特定の相変化を伴う埋め込み反応があるため、電気二重層コンデンサよりもサイクル安定性は劣りますが、蓄積エネルギーは向上します。リチウムイオン電池の場合、主に電解質中のリチウムイオンが充放電時に正極と負極の層状構造に埋め込まれて除去され、電荷の蓄積と放出を実現します。このメカニズムでは、蓄えられたエネルギーは非常に大きくなりますが、相変化プロセスにより、電荷転送速度が遅く、構造が崩壊しやすいため、サイクル性能は高くありません。
2.構造と開発
電気化学キャパシタの基本構造を図1に示す。これは主に、電極、電解質、および2つの電極間で絶縁されたセパレータを含む。電極材料と電解質は2つの最も重要なコンポーネントであり、得られた研究は非常に体系的です。以下は、主な電極材料と電解質の研究の進捗状況の簡単な紹介です。
電極材料
電極材料の研究は非常に成熟しています。元の電気二重層コンデンサのほとんどは、多孔質炭素、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料を使用していました。炭素材料は容量が小さく、エネルギー密度が低いですが、導電性基板への負荷が非常に高くなる可能性があるため、商品化の分野で幅広く深く利用されています。もちろん、研究者は最近、より高いエネルギー密度を達成するために炭素材料を活性化し始めました。これは、商用グレードの炭素の性能レベルを大幅に向上させることが期待されています。
炭素材料の限られた容量と不十分なエネルギー貯蔵のために、タンタルコンデンサは次第に研究ホットスポットになりました。調査された主な材料には、金属酸化物、導電性ポリマー、金属窒化物、そして最近では、高温の金属炭化物の研究が含まれます。最初に広く研究されたのは、優れた電気化学的性能を持つ酸化イットリウムですが、その低収率と高価格のために徐々に注目されています。多くの金属酸化物は性能に優れていますが、電気伝導性が低いという欠点があり、電気化学コンデンサの急速充放電の特性に大きな影響を与えます。導電性高分子の導電性は、ほとんどの金属酸化物に比べて優れており、性能も同様ですが、サイクル安定性が悪いという問題があります。金属窒化物は優れた導電性と優れたエネルギー貯蔵容量を備えていますが、電気化学サイクル中に容易に酸化されて導電性が低下し、サイクル性能は保証されません。金属炭化物または炭窒化物および対応する層状材料(Mxeneなど)は、近年研究者から多大な注目を集めており、開発の大きな可能性を秘めています。
電解液
電気化学コンデンサーの電解質システムは、電極の開発とともに徐々に成熟しています。大分類の観点から、電解質は主に水性電解質と有機電解質を含む。水系電解液は、酸、酸、中性でイオン伝導性が高いが、水の分解電圧限界(1.23V)で制限され、使用電圧が低い。科学的研究では水ベースの電解質が多く使用されていますが、市販の製品はほとんどありません。有機電解液の種類は比較的多く、その最大の特徴は、限界電圧が水性電解液のそれよりもはるかに高いことです(2.7-3.7 V)。したがって、高い動作電圧は、スーパーコンデンサがそのエネルギー密度を大幅に増加させるのに役立ちます。市販の電気化学コンデンサでは、大部分の有機電解液が使用されています。
電気化学キャパシタ構造の開発
研究の深化と特異性に伴い、電気化学コンデンサーのデバイスの形状も大きく発展しました。最初に市販されたスーパーキャパシタは、図3に示すように、主に巻線タイプとボタンタイプ(従来のバッテリーと同じ構造)でした。

図3巻線およびボタンタイプのスーパーキャパシタ
需要の漸増に伴い、硬質基板用の電気化学コンデンサの適用面にはいくつかの欠点があります。フレキシブルなポータブルスーパーキャパシタは、研究のホットスポットになっています。主な進歩は、図4に示すように、基板がカーボンクロス、カーボンペーパー、ニッケルフォーム、柔軟な金属シート、および自己支持型CNTなどの柔軟な導電性材料であることです。

図4いくつかのフレキシブルスーパーキャパシタ用のフレキシブル電極材料
可撓性スーパーキャパシタは、エネルギー貯蔵ユニットの便利な運搬、および図1に示されるような可撓性電気化学キャパシタを実現することができる。 5は同時に電子時計を時計バンドとして駆動します。

図5 2次元フレキシブルスーパーキャパシタのいくつかのアプリケーション
さらに、ウェアラブルデバイスに関しては、二次元のフレキシブル基板は、製織のあらゆるニーズを満たすにはまだ不十分である。このとき、一次元線形スーパーキャパシタも開発されました。図6の一部に示すように、これらの線形スーパーキャパシタを使用することで、衣服の効果的な製織を実現できます。

図6一次元線形スーパーコンデンサーのウィービング表示
3.将来と展望
スーパーコンデンサーの将来はどのように発展しますか?これはエネルギー貯蔵デバイスですが、その原理的な制限により、蓄電容量はバッテリーを超えることは困難です(スーパーコンデンサー以上の場合)、バッテリーと同じ効果を持つべきではありませんが、バッテリー。主電源への強力な追加。この場合、その開発は当然需要に依存します。エネルギーを貯蔵するために太陽エネルギーまたは風力が使用される場合、その電力は増加します。バックアップ電源として使用すると、そのエネルギー貯蔵が最大化されます。要するに、それはニーズに従うことです。
近い将来、電気化学キャパシタは電池など日常生活に欠かせないアイテムになり、良いヘルパーになると信じています!

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