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電池・スーパーキャパシタ・燃料電池

電極、電解質、セパレータから構成される電池の構造

バッテリー燃料電池、スーパーキャパシタは、電気化学的エネルギーの貯蔵および変換機構は異なりますが、高エネルギー・高出力密度用途のための類似した電気化学的特徴を持っています。

電池

電池は、電極(正極(+)と負極(-))、導電性電解質、正極と負極間のセパレータから構成されます。充電式リチウムイオン電池(LIB:lithium-ion battery)では、一価のリチウムカチオンが電極間を移動します。放電時は、アノード(-)が酸化し(電子を失い)、カソードで還元(電子の獲得)が起こり、充電の際は、このプロセスが逆転します。高エネルギー、出力密度、安全性の向上、材料コストの低減により、リチウムイオン電池はエレクトロニクス業界に革命を起こし、モバイル機器から電気自動車まで、私たちの生活のさまざまな場面に組み込まれています。2019年には、リチウムイオン電池技術を開発した科学者にノーベル化学賞が授与されました。

水素ガスおよび酸素ガスを燃料として使用し、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される様子を示したPEM燃料電池の図解。

燃料電池

燃料電池は、正極、負極、導電性電解質で構成されており、多くの場合、発電量を増やすために直列に接続してスタック化します。電極は、電極反応を行うための触媒で被覆された多孔質材料で構成されます。燃料電池は、使用する電解質の種類によって、固体高分子形、固体酸化物形、リン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形の5つの種類に大きく分類されます。高分子電解質膜(プロトン交換膜)を用いたタイプの燃料電池が、現在最も有望視されています。

燃料電池は、高効率、低排出ガス量、低環境負荷であることから、従来の内燃機関を凌ぐ代替エネルギー技術として開発されてきました。燃料電池は、廃棄物として原理的には熱と水しか発生しないため、ポータブル機器、据置型装置、輸送ソリューションなど、幅広い用途で新しい電力源として期待されています。

2つの分極性電極、電解質、電気的絶縁を保持しながらイオンの移動を可能にするセパレータからなるスーパーキャパシタの例。

スーパーキャパシタ

スーパーキャパシタの構成部品は電池と類似していますが、スーパーキャパシタの特徴はその電荷貯蔵能力にあります。電極材料がスーパーキャパシタの蓄電性能に寄与しており、静電的に作用する二重層キャパシタ、電気化学的に作用する擬似キャパシタ、および両者を利用するハイブリッドキャパシタの3カテゴリーに分類できます。

スーパーキャパシタは、高いエネルギー貯蔵容量、長寿命、急速充電能力を持つ高密度エネルギー源であるため、ハイブリッド自動車、ポータブルデバイス、エネルギーハーベスティングの用途に最適です。


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