Superkondensatoren Unbekannte Kapazitätsriesen

Die Kapazitätseinheit »Farad« kannte man lange nur mit den Vorsilben Mikro, Nano und Pico. Jetzt sind sogar Kilofarad möglich. Wie funktionieren diese neuen Superkondensatoren, die ein seit - 160 Jahren bekanntes Prinzip erfolgreich umsetzen?

Superkondensatoren wurden zuerst als »Goldcaps« bekannt - Kondensatoren, die zwar nur eine geringe Spannung vertrugen, doch ausreichend Kapazität hatten, um Backup-Batterien für RAM-Speicher oder Echtzeituhren-Chips zu ersetzen. Auch in LED-Rücklichtern für Fahrräder sorgten sie für Erstaunen, weil diese beim Ampelhalt minutenlang weiterleuchteten, obgleich keine Batterie eingebaut war. Anfangs waren die Stoßbelastbarkeit dieser Bauteile aber noch gering und der Innenwiderstand (ESR, equivalent serial resistance) relativ hoch.

Die Technik wurde indes weiterentwickelt. Heute gibt es Superkondensatoren bis 7.000 F in Großserie (Bild 1). Sie können hinsichtlich der Speicherfähigkeit mit kleinen Akkumulatoren konkurrieren. Die Physik der Superkondensatoren ist jedoch eine andere, und damit verhalten sie sich auch elektrisch anders als Akkumulatoren.

Superkondensatoren entsprechen - was niemanden überrascht - dem Kondensator-Prinzip: Ihre Kapazität wird durch zwei leitende Flächen bestimmt, die sich gegenüberstehen. Je größer die Fläche, je geringer ihr Abstand und je höher die Dielektrizitätszahl des zwischen ihnen befindlichen Dielektrikums, desto höher die Kapazität. Die entsprechende Formel lautet:

C = ε × A/d

mit C = Kapazität, A = Fläche, d = Abstand und ε = Dielektrizitätszahl.

Wachsende Kapazitätswerte

Im Allgemeinen hat ein Luft- oder Vakuumkondensator einen kleinen Kapazitätswert, da d hoch ist und ε und A gering sind. Dafür erreicht er eine hohe Spannungsfestigkeit.

Ein Folienkondensator indes erreicht deutlich höhere Kapazitätswerte, da mehr Fläche und eine höhere Dielektrizitätszahl zur Verfügung stehen und die Folie es erlaubt, den Abstand bei dennoch hoher Spannungsfestigkeit zu minimieren. Keramikkondensatoren haben - je nach Dielektrizitätszahl des Materials - teils noch höhere Kapazitäten mit möglichen Einschränkungen bei Spannungsfestigkeit und Kapazitätskonstanz.

Elektrolytkondensatoren stehen für noch höhere Kapazitätswerte, weil hier kein mechanisch gefertigtes Dielektrikum verwendet wird, sondern eine dünne, chemisch erzeugte Oxidschicht. Ist das Grundmaterial sehr rau, steigt die Fläche und damit die Kapazität noch weiter an. Die Spannungsfestigkeit ist geringer, und der Kondensator hat eine bauartbestimmte Polarität - bei falscher Behandlung (Verpolung, Überspannung, Überstrom, Übertemperatur) kann der Kondensator also schnell ausfallen.

Superkondensatoren schließlich entsprechen Doppelschichtkondensatoren, deren Prinzip, die Helmholtz-Doppelschichten, schon seit über 160 Jahren bekannt ist (Bild 2). Diese sind nur wenige Molekülschichten dick, also im nm-Bereich, woraus sich eine weitere Kapazitätserhöhung gegenüber dem Elektrolytkondensator bis zum Faktor 10.000 ergibt.

Hinzu kommt eine geringe Spannungsfestigkeit, die für einzelne Zellen in der heute üblichen Technologie unter 3 V liegt. Für höhere Spannungen können die Zellen  in Reihe geschaltet werden. Bei mehr als zwei Zellen, die 5 bis 5,5 V als zulässige Betriebsspannung erreichen, sind üblicherweise Maßnahmen zur gleichmäßigen Spannungsaufteilung erforderlich.