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Ultrakondensatoren

Besonders robuste Energiespeicher

26. Oktober 2016, 15:34 Uhr | Von Wolf-Dieter Roth

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Einflüsse auf die Lebensdauer

Der zulässige Arbeitstemperaturbereich von Maxwell-Ultrakondensatoren liegt zwischen –40 und +65 °C. Über 65 °C leiden – ebenso wie bei Überspannung – sehr schnell Lebensdauer und Kenndaten; eine Überschreitung dieser Temperatur sollte deshalb vermieden werden. Besonders kritisch sind gleichzeitig hohe Temperatur und Spannung. Wird auf sehr lange Lebensdauer Wert gelegt, sollten diese Grenzwerte nicht längere Zeit ausgereizt werden. Doch sind selbst dann noch lange Nutzungsdauern gewährleistet.

Feuchtigkeit ist unkritisch, solange sich kein Wasser auf den Kondensatoren niederschlägt und so Ableitströme verursacht. Die Ultrakondensatoren selbst reagieren nicht auf Feuchtigkeit, wenn sie originalverpackt oder eingebaut sind. Auch der Luftdruck ist unkritisch, was für die Nutzung in der Luftfahrt wichtig ist.

Im Gegensatz zu Batterien ist das Tiefentladen eines Ultrakondensators absolut unkritisch. Tatsächlich ist die Lebensdauer bei Lagerung im entladenen Zustand praktisch unbegrenzt. Selbst der Transport mit überbrückten Anschlüssen ist möglich, um die Gefahr einer Entladung durch Kurzschluss beim Transport oder hohe, gefährliche Berührspannungen bei Modulen auszuschließen. Bei Modulen ist die Überbrückung beim Transport sogar vorgeschrieben. Wird die Überbrückung aufgehoben, kann sich nach einiger Zeit eine maximale Restspannung von etwa 0,2 V pro Zelle aufbauen.

Geringe Leckströme

Leckströme werden bei Ultrakondensatoren zum größten Teil nicht durch mangelhaftes Dielektrikum verursacht. Vielmehr führt die riesige Oberfläche der Kohle-Elektroden zu einer für einen Kondensator ungewohnt hohen Zeitkonstante von etwa einer Sekunde für das Laden und Entladen – für einen Akkumulator wäre dies wiederum eine sehr geringe Zeitkonstante! Erst nach 72 h ist der Kondensator komplett ge- oder entladen.

Die letzten 0,5 Prozent der Oberfläche sind infolge des porösen Materials und der Geometrie besonders schwer erreichbar. Dies führt dazu, dass es Stunden bis Tage dauern kann, bis diese Teile auch geladen sind – und das macht sich elektrisch als vermeintliches Leck bemerkbar. Umgekehrt sind diese 0,5 Prozent auch daran schuld, dass sich nach dem vollständigen Entladen eines Ultrakondensators nach einiger Zeit die bereits erwähnte Restspannung von bis zu 0,2V pro Zelle aufbauen kann, wenn der Entladekreis entfernt wird. Im Gegensatz zu Akkumulatoren sind hier keine chemischen Prozesse im Spiel, sondern es machen sich Regionen bemerkbar, die zuvor gar nicht komplett entladen worden waren.

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Ein Ultrakondensator fällt am Ende seiner Lebensdauer nicht – wie eine Glühlampe – schlagartig aus (Bild 3); er lässt nur wie eine LED in der Funktion nach, und auch die Zeiträume, um die es hier geht, sind mit guten LEDs vergleichbar.

Das Ende der Lebensdauer wird üblicherweise definiert als der Zeitpunkt, an dem entweder die Kapazität um 20 Prozent gesunken oder der Serienwiderstand sich verdoppelt hat. Soll ein Ultrakondensator-Array besonders lange nutzbar bleiben, kann man es durch großzügigere Dimensionierung beispielsweise auch noch nutzen, wenn die Kapazität der Zellen um 30 Prozent abgesunken oder sich der Innenwiderstand verdreifacht hat. Allerdings entwickeln sich die Veränderungen exponentiell. Eine noch größere Überdimensionierung, um die Gebrauchsdauer weiter zu verlängern, ist deshalb meist nicht mehr sinnvoll.

Soll in einem Modul ein einzelner, vorzeitig gealterter Kondensator ausgewechselt werden, so kann ein neuer Ultrakondensator die bis dato vorhandene Balance aus dem Gleichgewicht bringen. Eventuell ist in solchen Fällen der Einbau eines vorgealterten Kondensators sinnvoll.

Maxwell-Ultrakondensatoren benutzen organische Elektrolyte, die eine höhere Betriebsspannung als wässrige Elektrolyte zulassen und bei tiefen Temperaturen nicht einfrieren. Bei Überspannung gasen die Elektrolyte; das endet jedoch wieder, wenn der unzulässige Betriebszustand verlassen wird. Danach ist im Extremfall die Kapazität vermindert – es entsteht jedoch kein Durchbruch wie bei anderen Kondensatorbauformen. Im Interesse von Betriebssicherheit, Lebensdauer und Kenndaten ist dennoch eine auch nur kurzfristige Überlastung zu vermeiden. Eine hohe zulässige Betriebsspannung erhöht jedoch den Energieinhalt signifikant, weil dieser sich nach der Formel 0,5 × C × U² errechnet. 75 Prozent der Energie stecken in der Entladekurve von voller bis halber Betriebsspannung. Deshalb ist es sinnvoll, in Applikationen den zulässigen Spannungsbereich des Ultrakondensators auszunutzen.

Umweltaspekte sind unkritisch

Ultrakondensatoren bestehen aus Aluminium, Kohle, Papier und dem Elektrolyten. Sie enthalten keine Schwermetalle oder giftige Substanzen. Im Normalfall geht auch beim Brand eines Ultrakondensators von diesem keine größere Gefahr als von anderen elektronischen Baugruppen gleichen Volumens aus.