Ultrakondensatoren Besonders robuste Energiespeicher

Ultrakondensatoren, auch als Doppelschichtkondensatoren oder Superkondensatoren bezeichnet, werden viel diskutiert. Doch wo werden sie tatsächlich eingesetzt und welche Kriterien sind für ihre Auswahl wichtig? Die Kapazität alleine ist nicht immer ausschlaggebend.

Ultrakondensatoren beginnen da, wo normale Kondensatoren und Elkos aufhören: bei Kapazitäten, die sich an ein Farad annähern. Doch ihre Funktion ist etwas anders: Sie sind weniger als Filterelement geeignet denn als Energiespeicher. Zudem stellen gerade die interessanteren Applikationen wie mobile Stromversorgungen besondere Ansprüche. Diesen können Ultrakondensatoren hervorragend nachkommen – wenn es die richtigen sind.

Kleinere Ultrakondensatoren von unter einem bis zu einigen zehn Farad sind gut geeignet, um flüchtige Speicher in Geräten bei Netzunterbrechungen für einige Tage bis Wochen abzusichern oder kleine Stromverbraucher wie Fahrrad-Rücklichter einige Minuten lang zu versorgen. Auch als Pufferkondensator für Batterien, Akkus und als Netzstabilisierung sowie auch anstelle von Batterien in Taschenlampen und anderen Stromversorgungen, z.B. in Smart Meters, sind Ultrakondensatoren gut geeignet. Sie erreichen heute bereits fünf Prozent der Kapazität gleich großer Akkus bei weit höheren zulässigen Lade- und Entladeströmen und Lebensdauern.

Alternative zu Akkus

Die meisten Interessenten wollen mit Ultrakondensatoren jedoch tatsächlich Akkus ergänzen oder ganz ersetzen. Dank des praktisch verschleißfreien und schnellen Ladens und Entladens sind sie hier wirklich in ihrem Element. Allerdings sind dafür größere und höhere Kapazitäten im Bereich hunderter bis tausender Farad gefragt.

Maxwell, Marktführer bei Ultrakondensatoren, bietet verschiedene Zellen von 1 bis 3400 F sowie Module von 16 V/58 F bis 160 V/5,8 F an. Was ist generell beim Umgang mit Ultrakondensatoren zu beachten und was macht Maxwell anders als die Wettbewerber?

Ultrakondensatoren speichern Energie – wie jeder Kondensator – elektrostatisch. Dabei gehen im Kondensator zwar elektrochemische Vorgänge mit Ionentrennung vor sich, doch ohne chemische Reaktionen wie in Akkumulatoren. Damit entfällt auch der Verschleiß durch die Lade- und Entladevorgänge.

Extrem dünne Isolierschicht

Die hohe Kapazität entsteht dadurch, dass statt glatter oder angerauter Folien poröses Aktivkohlematerial etwa 2000 m² Elektrodenfläche pro Gramm erzeugt und die Dicke bzw. genauer Dünne des Dielektrikums durch die Ionentrennung bestimmt wird, welche eine bzw. genauer zwei isolierende Schichten unter 10 Angstrom erzeugt – Ultrakondensatoren werden deshalb auch als Doppelschichtkondensatoren [1] bezeichnet (Bild 1). Damit ergibt sich zwar auch eine maximale Betriebsspannung von nur wenigen Volt, doch können Ultrakondensator-Array-Module Hunderte von Volt Betriebsspannung bei immer noch zwei- bis dreistelligen Farad-Zahlen erreichen.

Von der Konstruktion her sind Maxwell-Ultrakondensatoren symmetrisch aufgebaut. Prinzipiell sollte die Polarität der angelegten Spannung deshalb keine Rolle spielen. Allerdings wird bei der Fertigung eine Polarität beim erstmaligen Aufladen festgelegt, und bei dieser sollte der Benutzer später auch bleiben. Wird ein Ultrakondensator später andersherum gepolt betrieben, so ist zwar kein Totalausfall mit Explosion – wie bei einem Elektrolytkondensator – zu befürchten, doch eine dauerhaft verringerte Lebensdauer und Performance.

Ultrakondensatoren sind relativ temperaturunabhängig, solange die zulässigen Grenzen insbesondere nach oben nicht überschritten werden. Ihre Kapazität bleibt von –40 bis +65 °C praktisch konstant. Nur der Innenwiderstand steigt mit sinkenden Temperaturen (Bild 2), doch auch dies vergleichsweise mäßig. Batterien und Akkus hingegen werden in der Kälte meist völlig unbenutzbar.