セメント、カーボンブラック、電解質、そして水が作る、汎用性の高い新しいスーパーキャパシタのシンプルレシピ

材料科学の進歩はエネルギー技術を大きく変える可能性があります。2023年8月初めには、LK-99が常温・常圧で超伝導性を示すという主張の再現が試みられていましたが、当時その主張はまだ確認されていませんでした。同じ時期にマサチューセッツ工科大学（MIT）も独自の興味深い研究成果を発表しました。身近で安価な材料を使ったスーパーキャパシタです。

キャパシタとは？

キャパシタは、2つの導電性電極に正負の電荷を分離して電気エネルギーを蓄える装置です。一般的なキャパシタでは電極の間に絶縁体である誘電体があり、電場にエネルギーが蓄えられます。

何が「スーパー」なのか？

スーパーキャパシタはウルトラキャパシタとも呼ばれ、非常に大きな静電容量を持ちます。電気二重層キャパシタはその一種です。一般的なキャパシタとの主な違いを見てみましょう。

• 蓄電容量：一般的なキャパシタよりはるかに多くの電荷を蓄えられます。電気二重層キャパシタでは、電極の広い内部表面積と、電極表面と電解液のイオン層の間の極めて短い距離が大きな静電容量を生みます。
• エネルギー密度と出力密度：キャパシタは通常、エネルギーを素早く供給できますが、蓄える量は電池より少なくなります。スーパーキャパシタは両者の中間に位置し、一般的なキャパシタよりエネルギー密度が高い一方、通常は電池より低く、出力密度は高いという特徴があります。
• 構造：電極には内部表面積の大きい多孔質の炭素材料がよく使われ、電解液がイオンの移動を可能にします。この構造によって静電容量と蓄えられるエネルギーが増えます。
• 充放電速度：スーパーキャパシタは一般に電池より速く充放電でき、多数の充放電サイクルに耐えられます。ただし、静電容量が大きいだけで電荷を長く保持できるとは限りません。自己放電や漏れ電流も保持時間に影響します。

一般的なキャパシタと電気二重層スーパーキャパシタは、電荷の分離によってエネルギーを蓄えます。スーパーキャパシタは、大きな静電容量、電極材料の違い、素早い電力供給と比較的大きな蓄電量の組み合わせを特徴とします。

スーパーキャパシタの用途

スーパーキャパシタは素早い電力供給と繰り返しの充電が必要な場面に適しています。以下は、すでに利用されている用途や設計次第で実現できる用途の例です。

• 電気自動車（EV）：加速時の短い電力パルスを供給し、回生ブレーキでエネルギーを回収することで、車両のエネルギー効率を高められます。
• 公共交通：バスや路面電車では、短時間の停車中にエネルギーを蓄えて加速時に使い、主電源の瞬間的な負荷を抑えられます。
• 再生可能エネルギー設備：太陽光や風力の発電量の急な変動を緩和できます。一般的なスーパーキャパシタは特に短時間の出力調整に適しており、長時間のエネルギー貯蔵には十分な容量が必要です。
• 無停電電源装置（UPS）：短い停電の間や予備発電機が始動するまで、一時的に電源を維持できます。
• 民生用電子機器：電子機器の短い電力パルスや車載オーディオの負荷ピークを支えられます。カメラのフラッシュ用エネルギーの蓄積には、一般的な高電圧キャパシタも使われます。
• 医療機器：医療機器の電源を補助できます。除細動器の高電圧パルスの蓄積には通常、フィルムキャパシタなど専用のパルス用キャパシタが使われます。
• 産業機器：機械や工具が短時間に必要とする大きな電力を供給できます。
• 電力系統の安定化：需要や発電量の変化に素早く対応し、電力系統の変動を抑えて安定化を助けられます。
• 無線通信機器：遠隔センサーやアクセスしにくい設備で、信号の送信に必要な短い電力パルスを供給できます。
• スマートグリッドとマイクログリッド：地域のエネルギー管理に組み込み、負荷を調整してエネルギーを蓄え、効率的な利用を支えられます。
• 航空宇宙・防衛：適切に設計された航空宇宙・防衛システムで、重要機器への電源供給や瞬間的な電力需要を支えられます。

多様な用途、高い出力密度、速い充放電能力によって、スーパーキャパシタは多くの分野で利用されます。上の一覧には実用例と設計に応じた可能性の両方が含まれます。MITの研究は、身近な材料で大規模な蓄電装置を作る道を開く点で注目されます。

新しい製法

MITの研究者は、微細な炭素粉末であるカーボンブラックを加えて、内部表面積の大きいセメント系電極材料を作りました。この材料に塩化カリウム水溶液などの電解液を含浸させ、セパレーターを挟んだ2つの電極で装置を組み立てるとスーパーキャパシタになります。炭素の割合は比較的小さくでき、原料は安価で広く入手できます。

静電容量は導電性電極材料の内部表面積に大きく左右されます。MITは仕組みの核心を次のように説明しています。

「研究チームのスーパーキャパシタの鍵は、セメント系材料の内部に密で相互につながった導電性物質のネットワークを作り、極めて広い内部表面積を実現する方法です」

世界各地で安く手に入る一般的な材料を利用する点は大きな利点です。これにより、導入しやすく規模を拡大できるエネルギー貯蔵の可能性が生まれます。

研究者が構想した用途の1つは、住宅の基礎に蓄電装置を組み込み、発電と消費の差を調整することです。約45立方メートルの材料で約10キロワット時を蓄えられると試算し、これを家庭の1日分の消費電力量の例として用いました。これは実験室の結果から規模を拡大した試算で、完成済みの住宅基礎ではありませんでした。蓄電性能と強度にはトレードオフがあり、構造上の要件に合わせた配合が必要です。蓄えた電力は停電時や需要のピーク時に利用できる可能性があります。

こうした蓄電装置は、太陽光や風力を使う住宅も支えられます。発電量が消費量を上回るときに充電し、発電量が減ったときに利用する仕組みです。研究者は、EVのワイヤレス充電と組み合わせた道路や、通常の送電網につながっていない住宅・地域のエネルギー貯蔵も可能な用途として挙げました。

おわりに

建設で広く使われるセメントを基盤にしたスーパーキャパシタには、大きな意義があり得ます。研究チームは目標を次のように表現しています。

「……多孔質の炭素・セメント複合材料の設計は、エネルギー貯蔵の規模を拡大できる材料技術を提供し、化石燃料から再生可能エネルギーへの急を要する移行を支えます」

原料の入手しやすさと蓄電装置を大型化できる可能性は、小規模・大規模双方の事業にとって魅力です。実用設備では、想定する規模で蓄電機能と構造性能が両立することを示す必要があります。