スーパーキャパシタの原理
公開日時：
2023-02-22
二重層コンデンサは、物理学者ヘルムホルツが提唱した界面二重層理論を基盤として構築された、まったく新しいタイプのコンデンサである。周知のとおり、電解質溶液に浸漬された金属電極の表面では、液体の界面の両側に符号が逆の過剰電荷が生じ、その結果、界面間に電位差が形成される。
二重層コンデンサは、物理学者ヘルムホルツが提唱した界面二重層理論を基盤として構築された、まったく新しいタイプのコンデンサである。周知のとおり、電解質溶液に浸漬された金属電極の表面と液面の両側には、符号が逆の過剰電荷が生じ、これにより相間には電位差が発生する。そこで、電解質溶液中に同時に二つの電極を挿入し、その間に電解質溶液の分解電圧よりも低い電圧を印加すると、電場の作用によって電解質中の正イオンおよび負イオンが迅速に両極へ移動し、それぞれの電極表面に密な電荷層、すなわち二重層が形成される。この二重層は、従来のコンデンサにおける誘電体が電場の作用で生じる分極電荷と類似しており、それによって静電容量効果が現れる。密な二重層は平板型コンデンサに近似するが、その密な電荷層の間隔は一般のコンデンサにおける電荷層間隔よりもはるかに小さいため、一般のコンデンサに比べてより大きな静電容量を有する。
二重層コンデンサはアルミ電解コンデンサに比べて内部抵抗が大きいため、負荷抵抗を接続せずに直接充電することが可能です。また、過電圧による充電が発生した場合でも、二重層コンデンサは開回路状態となり、デバイス自体が損傷することはありません。この特性は、アルミ電解コンデンサにおける過電圧による破壊とは異なります。さらに、二次電池と比較すると、二重層コンデンサは制限電流を設けずに充電でき、充電回数も10^6回以上に達します。したがって、二重層コンデンサは単なる静電容量素子としての特性だけでなく、電池的な特性も併せ持つ、電池とコンデンサの中間に位置する新しい特殊な電子部品であるといえます。
基本原理は次のとおりである。電極に充電を行うと、理想的な極化状態にある電極表面の電荷が周囲の電解質溶液中の異種イオンを引き寄せ、これらのイオンが電極表面に付着して二重電荷層を形成し、これにより二重層コンデンサが構成される。さらに、両電荷層の間隔が非常に小さく（一般に0.5 nm以下）、加えて特殊な電極構造を採用することで電極表面積が数万倍に増大し、結果として大きな静電容量が得られる。
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