スーパーキャパシタに関する新たな理解が充電規格を革命的に変える可能性

スーパーキャパシタへの新たな理解により、携帯電話やEVを数秒で充電できるようになるかもしれません。今週、コロラド大学ボルダー校の研究者は、多孔質材料の電気二重層（EDL）充電におけるイオン移動の動力学について、米国科学アカデミー紀要に研究を発表しました。スーパーキャパシタ市場を変える可能性のある内容を紹介します。

スーパーキャパシタとは？

キャパシタは、現代の電子機器に欠かせない部品です。一般的な電池のような化学反応ではなく、電場に静電エネルギーを蓄えます。そのため、非常に高いパルス出力と静電容量が必要な用途に適した特性があります。

スーパーキャパシタと電池の違い

スーパーキャパシタと電池は、どちらもエネルギーを蓄えますが、仕組みは大きく異なります。一般的な電池は化学反応を利用します。この方法は長時間のエネルギー供給に適していますが、充電時間の長さや重量などの欠点があります。スーパーキャパシタの大きな静電容量は、必要なときに瞬間的なエネルギーを供給するのに適しています。

スーパーキャパシタは電気化学反応ではなく静電的な電荷蓄積を利用するため、軽量化できます。多くの場合は直流回路の補助に使われ、身近な電子機器にも数多く搭載されています。

スーパーキャパシタの仕組み

スーパーキャパシタは、細孔にイオンを蓄えることで充電します。この仕組みにより、数秒で充電を完了できます。最近まで、この蓄電方法には層や細孔に関する制約がありました。しかし、その独特な充電方式に着目したのが、工学者Ankur Guptaと研究チームです。

異なる研究分野の融合

Guptaらは、多孔質材料内の流れの研究で得られたデータを整理し、スーパーキャパシタに応用しました。従来、この分野の知識は主に水のろ過装置など、電子機器以外で使われていました。Guptaは、自身の専門知識を電子機器にも活用できると気づきました。結果は、モデルによって電気二重層（EDL）の充電方法を改善し、数秒で充電できる蓄電装置など、より効率的なシステムを設計できる可能性を示しました。

研究の詳細

研究者はまず、細孔のつながり方や大きさのばらつきが、充電の効率と容量にどう影響するかを調べました。そのため、複雑に配置された多層の細孔を通る電解質の動きを予測する新しい方法を作りました。

新モデルが設計を改善

モデルは、層状に積み重なる数千個の相互接続された細孔を再現し、イオンの動きを追跡しました。層を増やすことは、蓄えられるエネルギーを増やす有効な方法でした。重要なのは、完全に詰まることなく、できるだけ多くのイオンを保持できる構造を作ることです。

研究者は、表面積を最大化すると性能と蓄電能力が向上すると判断し、シミュレーションに深さを加えました。このモデルは、複雑な多層フィルターの構造と特性の関係や、エネルギー移動への影響を正確に予測できます。そのデータを照合し、必要時に最も効率よくエネルギーを蓄え、放出する方法を求めました。

研究結果

研究によって、従来より何倍も速くモデルを作り、結果を試験できるようになりました。特に5,000個の細孔からなる三角格子では計算を6分で完了しました。今後はEDLの厚さや細孔半径に制約を設けず、デバイ・ヒュッケル極限をシミュレーションしたいとしています。

キルヒホッフの法則

研究者はキルヒホッフの法則を修正したことから着想を得たと述べています。ドイツの物理学者グスタフ・キルヒホッフは1845年、電気の挙動に関する電圧則と電流則を示しました。これらの法則は今も複雑な回路網の抵抗を求めるために使われています。

スーパーキャパシタの実用例

スーパーキャパシタは、さまざまな産業で実用化されています。システムの電力変動を緩和したり、車両に電力を供給したりと、多くの場面で役立っています。現在の主な用途を紹介します。

メモリー保護と内蔵電池のバックアップ

代表的な用途の一つが、メモリーの保護と電池のバックアップ支援です。軽量で、電池より小型にでき、信頼性が高く、保守の負担が少ないため、この用途に適しています。こうした特性から、多くの直流電子機器で使用されています。

スーパーキャパシタは、大きな負荷に素早く電力を供給できるため、信頼性の高いメモリーバックアップを実現します。予期しない停止や停電時に特に有効です。電源が失われる直前のわずかな時間に、キャッシュの内容をフラッシュメモリーへ保存するために使われます。

電力変動の緩和

もう一つの一般的な用途は、大きな電力を必要とするシステムの緩衝です。瞬間的な電力増強が必要な場合に適しており、電力変動をならして安定した供給を確保できます。

電子機器では電力の緩衝が広く行われ、スーパーキャパシタは円滑な動作を支える一般的な手段です。必要な出力密度と供給能力によって、追加システムなしに必要なタイミングでエネルギーを補えます。EVのトラクション制御、加速支援など、重要な機能にも利用されています。

エネルギーハーベスティング

エネルギーハーベスティングは、スーパーキャパシタによって大幅に改善できます。余分なエネルギーを蓄え、数秒で放出できる特性は、この用途に適しています。不均一な電流の増加をならす重要な役割を果たします。

エネルギーハーベスティングの範囲と重要性は拡大しています。地域の電力網、長寿命電池、燃料電池、高度な内燃機関などで、スーパーキャパシタは安定した電力供給を支えています。近い将来、次世代の太陽光発電所や風力発電所の成果を最大化するうえで、さらに重要になるでしょう。

電池との組み合わせ

スーパーキャパシタが電池の改善に役立つ理由は明らかです。すでに、安定した電力供給や充電のために組み合わせた電池があります。電圧のばらつきが回路を傷めたり、問題となる急変を起こしたりするのを防ぎます。

研究は、スーパーキャパシタが電池システムの性能向上に役立つことを示しています。大きな静電容量と素早い放電によって、必要時にエネルギーを蓄え、供給できます。また、従来の供給方法より10倍速く、必要な場所に電力を届けられます。

ハイブリッド車の蓄電

ハイブリッド車も、スーパーキャパシタを活用する分野です。過去5年間、完全にキャパシタで動く車両用モーターの開発が進められてきました。回生ブレーキ、周囲からのエネルギー回収、その他の先進的な方法でほぼ瞬時に充電できれば、業界を大きく変えるでしょう。

目標は、スーパーキャパシタをこれらの車両の主な電源にすることです。EVの費用と重量を大幅に減らし、耐久性と信頼性も高められます。こうした要因から、ハイブリッド車メーカーは最適な方法の研究に多額を投じています。

IoT：モノのインターネット

IoTは、数十億台に広がったスマート機器の巨大なネットワークです。センサーを持ち、インターネットと通信するため、スマートと呼ばれます。小型で低消費電力の機器が多く、スーパーキャパシタを使えば、小さく安価なまま電力要件を満たせる可能性があります。

IoTは拡大しており、アナリストは今後、数十億台規模のネットワークが大きく成長すると予測しています。そのため、これらの機器への電力供給は、開発者、技術者、メーカーにとって主要な課題になっています。

この研究の利点

研究の主な利点は、スーパーキャパシタの改善です。このモデルにより、超急速充電の電池、電力網、交通などを支える、複雑で効率の高い装置を設計できるようになります。今後恩恵を受ける可能性のある企業を紹介します。

1. FREYR Battery

FREYR Battery (TE )は、ルクセンブルクの電池セルメーカーで、市場の有力企業です。成長するEV電池市場に対応するため2018年に設立されました。現在は蓄電、航空、自動車、電池関連サービスを専門としています。

FREYR Batteryは、ノルウェーと米国で大規模な事業を展開する市場の有力企業です。同社が現在建設中のギガバッテリー工場は、ジョージア州に設置される予定です。これらの大容量バッテリーは産業部門向けに設計されており、この工場は市場における先駆的な取り組みとなります。

FREYR Batteryの時価総額は、約2億2,500万～3億5,974万ドルで変動しています。過去52週間の株価は1.21～10.10ドルで推移し、過去最高の16.94ドルは2022年10月6日に記録しました。現在のアナリスト予測は10.00～1.90ドルの範囲で、有力な保有銘柄と見られています。

2. QuantumScape

QS 価格チャート

QuantumScape (QS )はJagdeep Singh、Tim Holme、Fritz B. Prinzが設立し、2010年に市場に参入したカリフォルニア州の企業です。全固体電池技術や省エネルギー戦略を専門とします。将来、今回の研究成果を導入して製品を改善できる可能性があります。

QuantumScapeは、効率と持続可能性を高めるためにバッテリー技術の限界を押し広げようとしています。同社は最近、アノードレスのバッテリーセルを開発した唯一のメーカーとなり、注目を集めました。この改良によってエネルギー密度が高まり、製造コストが下がります。

QuantumScapeの株価は過去52週間で4.92～13.86ドルの間を推移し、時価総額は20億～30億ドルでした。投資家への利益がまだ示されていなくても、技術革新が今後の市場を変える大きな可能性を持つため、追加候補と見られています。

スーパーキャパシタの未来

スーパーキャパシタの未来は明るいものです。より多くの企業が改善方法や、既存システムへ組み込んで性能を高める方法を研究しています。市場は活発で、革新に満ちています。今後は新しい材料の探索にも時間が費やされるでしょう。

また、物理的な特性にも注目が集まります。柔らかいロボットや新しい市場に対応するため、柔軟に曲がったり、伸びたりする装置が作られるかもしれません。小型化も革新を促す重要な課題です。

環境に配慮した経済

スーパーキャパシタの未来には環境への配慮も欠かせません。生分解性を持たせる研究が盛んで、利用拡大に伴う環境への影響を減らすことが期待されています。持続可能性は、あらゆる技術の重要な課題です。そのため、生態系への害を減らすよう、材料の選択もさらに多様化していくでしょう。

新しいスーパーキャパシタに加わる機能

日常生活におけるスーパーキャパシタの重要な役割を考えると、今回の研究が注目される理由は明らかです。多くの人が依存する電子機器を支えており、市場は将来、超急速充電の電池や電力網を必要としています。研究の進展を追い続ける価値があります。

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