電気二重層コンデンサ、スーパーキャパシタ：
デバイスの構造と特徴
電気二重層コンデンサ（EDLC）やスーパーキャパシタは、体積あたりの静電容量が極めて大きく、通常数ボルト以下の低い定格電圧を特徴とする電解コンデンサ類似のデバイスの一群です。これらのデバイスの構造や動作原理はそれぞれ異なり、現在も研究開発が進められていますが、体積あたりの表面積が非常に大きい電極材料（活性炭、エアロゲルなど）を使用し、従来の固体誘電体を使用しないことが共通点として挙げられます。EDLC、スーパーキャパシタ、およびその他の名称で呼ばれる類似デバイスは、他のタイプのコンデンサに見られるような従来のセラミック、ポリマー、金属酸化物の誘電体の代わりに、電荷分離距離を極めて小さくする様々な電気化学的、静電的、電荷移動効果に依存しています。コンデンサの「プレート 」間の距離は、一般的にナノメートルの単位で表されます。
EDLCやスーパーキャパシタなど異なる名前のデバイスは、実用上、従来のコンデンサと二次電池（充電式）の中間的な位置づけにあると見なすことができます。従来のコンデンサよりも高いが化学電池よりも低いエネルギー貯蔵密度と、コンデンサの基準では高いが化学電池の基準では低いESR値を持ち、化学電池のサイクル寿命が数百から数千サイクルであるのに対し、ほぼ無限のサイクル寿命を持っています。化学電池と同様に、複数のEDLCを1つのパッケージに集積することで、より高い公称電圧を持つ複合デバイスを実現することができます。
EDLCやスーパーキャパシタは、他のコンデンサに比べてESR（等価直列抵抗）が高く線形性が悪いため、ほとんどの信号や高周波（＞kHz）用途には適しませんが、人間の生活スケールの時間枠のエネルギー貯蔵には非常に有効です。この領域内には、さまざまなアプリケーションを対象とした一連のデバイスがあります。小型のデバイスでは、ESR値が数百Ωと高く、メモリやリアルタイムクロックのバックアップ電源など、μAレベルの電流が必要なアプリケーションを対象としている場合があります。一方、ESRがミリオーム以下のデバイスは、自動車の回生ブレーキシステムなど、数百アンペアの電流が流れるアプリケーションに使用されることを想定しています。
使用可能な容量と電圧の範囲
以下のチャートは、執筆時点でDigi-Keyに在庫のあるEDLCおよびスーパーキャパシタの電圧と静電容量定格を示したものです。なお、類似のチャートではマイクロファラッド（μF）の単位が用いられている場合がありますが、この縦軸の単位はファラッド（F）であることにご注意ください。
一般的な故障メカニズム/重要な設計上の考慮事項
EDLC/スーパーキャパシタに分類されるデバイス間での技術にはいろいろ違いがあるため、グループ全体としての故障メカニズムや設計上の重要な検討事項についての詳細な議論はできません。ただし、アプリケーションの観点からは、アルミ電解コンデンサに適用される懸念が、EDLCやスーパーキャパシタに多かれ少なかれそのまま適用できることに留意すれば十分です。
- 蒸発しやすい液体電解質溶液が含まれており、10°Cの温度上昇ごとにデバイスの寿命が半分になると予測するアレニウスの法則が成り立ちます。多くのEDLC/スーパーキャパシタの温度定格は比較的低く、長時間の充電サイクルを伴うアプリケーションでは自己発熱の影響が大きくなることに注意する必要があります。また、基板実装用のデバイスの多くはリフローはんだ付けプロセスに耐えられないため、結果として組み立て時に特別な注意が必要になる場合があります。
- 定格電圧以上で使用しないでください。使用すると、電解液の損失や絶縁破壊による故障の原因となります。特に有機電解質を使用したデバイスの場合、故障時に放出される物質が毒性を持つことは、Daveが経験的に証明しています。（磁器の電話でRalphと実験について話し合って以後、幸いにもDaveはまだ生きています...）
- 誘電体吸収が大きく、温度によるデバイス特性の変化が大きい。 さらに、EDLC/スーパーキャパシタ、特に直列接続されたコンデンサで構成される複合デバイスでは、リーク電流が非常に大きくなることがよくあります。多くの場合、このようなデバイスでは、容量やリーク電流のアンバランスによるセルの過電圧状態を避けるために、各セルにかかる電圧のバランスをとるための何らかの回路が必要になります。
- コンデンサは、充電状態と出力電圧の間にQ=C*Vの式で表される直線関係を示します。これは、一般的に充電状態に応じて出力電圧が広く平坦な特性を持つ化学電池とは異なります。多くのあるいはほとんどのアプリケーションでは、これは、EDLC/スーパーキャパシタの全容量を最大限に活用するために何らかの形のパワーマネジメント回路が必要になることを意味します。