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Superkondensatoren ersetzen Akkus

Vom Adjutanten zum Königsmörder

16. März 2020, 07:00 Uhr   |  Felix Corbett, TTI

Vom Adjutanten zum Königsmörder
© Prath / Shutterstock

Lange Zeit galt: keine mobile Elektronik ohne Akku. Und Superkondensatoren waren treue Unterstützer bei Leistungsspitzen, beispielsweise beim Kamerablitz eines Smartphones. Doch mittlerweile ersetzen Superkondensatoren Akkus sogar komplett, beispielsweise bei Fahrzeugen verschiedenster Art.

Superkondensatoren speichern typischerweise zehn- bis hundertmal mehr Energie pro Volumen oder Masse als Elektrolytkondensatoren, und sie haben Werte zwischen mehreren Millifarad und Tausenden von Farad. Zudem nehmen sie Ladung viel schneller auf als Akkus und können sie auch viel schneller wieder abgeben. Darüber hinaus tolerieren sie wesentlich mehr Ladezyklen als Akkus.

Die gebräuchlichste Art von Superkondensatoren sind elektrostatische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), die Kohlenstoffelektroden (in Form von Graphen- oder 3D-Strukturen) mit einer wesentlich höheren elektrostatischen Doppelschichtkapazität verwenden als elektrochemische Pseudokapazitäten (Bild 1). Die Ladungstrennung liegt in der Größenordnung von 0,3 nm bis 0,8 nm, ist also erheblich kleiner als bei einem herkömmlichen Kondensator.

AVX, capacitors
© AVX

Bild 1: Verschiedene Kondensatortechnologien

Hybride, auf elektrochemischer Pseudokapazität basierende Komponenten stützen sich weitgehend auf Aktivkohle. Die Spannung hängt vom Abbau des Salzions ab und ist damit eine Funktion von Temperatur und Spannung. Hybridkondensatoren, wie der Lithium-Ionen-Kondensator, verwenden Elektroden mit beiden Techniken und kombinieren elektrostatische und elektrochemische Kapazität.

Supercap vs. Akku

Ein Akku auf elektrochemischer Basis kann Energie über einen langen Zeitraum speichern. Allerdings muss er sorgfältig geladen werden, die Anzahl von Ladezyklen begrenzt ihre nutzbare Lebensdauer (z. B. 500 bei Lithium-Ionen-Akkus; Tabellen 1 und 2). Im Gegensatz dazu laden Superkondensatoren einfach wie ein Kondensator, sie unterstützen Millionen von Zyklen und liefern in kurzer Zeit große Mengen an Energie, die einen Akku durch Überladung in Brand setzen würde. Aufgrund ihrer sicheren und schnellen Ladeeigenschaften ersetzen Superkondensatoren in einigen Anwendungen sogar die Batterien vollständig, so in einem automatisch gesteuerten Lagershuttle mit Superkondensator-Antrieb.

SpeichertechnologieSuperkondensatorVorteileNachteilehohe Zahl an Ladezyklenniedrige Energiedichtehohe Ladeströmeetwas höhere Selbstentladungkurze Ladezeitenhöhere Kosten pro Wattstundewenig temperaturempfindlich Akkuhohe Energiedichtebegrenzte Zahl an Ladezyklenniedrige Selbstentladunglange Ladezeiten sehr temperaturempfindlich

Tabelle 1: Vergleich von Superkondensator- und Akkutechnologien.

KennwertSuperkondensatorAkkuLadezeit1 s bis 10 s10 bis 60 MinutenLadezyklen1 Million>500Zellspannung2,1 V bis 3,3 V3,6 V bis 4,2 VSpezifische Energie5100 bis 200Spezifische Leistungca. 10.0001000 bis 3000Kosten pro Wh>10 US-Dollar0,50 US-Dollar bis 1 US-DollarLebenserwartung im Auto>10 Jahre5 bis 10 JahreUmgebungstemperatur fürs Laden–55 °C bis +90 °C0 °C bis +45 °CUmgebungstemperatur fürs Entladen–55 °C bis +90 °C–20 °C bis +60 °C

Tabelle 2: Elektrische Kennwerte von Superkondensatoren und Akkus.

Superkondensatoren haben jedoch Spannungsobergrenzen, die typischerweise bei 2,5 V bis 2,7 V liegen. Werte von 2,8 V und höher sind möglich, allerdings sinkt die Lebensdauer. Die Firma Eaton hat 3,0-V-Superkondensatoren vorgestellt, wovon die Anwendung in zwei unterschiedlichen Richtungen profitieren kann. Erstens: Ersetzt man 2,7-V-Bauteile eins zu eins mit 3,0-V-Superkondensatoren, verdoppelt sich die Lebensdauer. Zweitens: Reizt man die Spannungsobergrenze von 3,0 V voll aus, kommt man mit 10 Prozent bis 20 Prozent weniger Zellen aus als bei 2,7-V-Versionen.

Um wesentlich höhere Spannungen zu erhalten, werden mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Gesamtkapazität sinkt und der Innenwiderstand steigt. Wie bei Akkus erfordert das Zusammenfügen von drei oder mehr Superkondensatoren in einem Strang einen Spannungsausgleich (Cell Balancing), um zu verhindern, dass eine Zelle zu hohe Spannungen sieht.

Eaton, Supercaps
© Eaton

Bild 2: Kombination von Batterien und Superkondensatoren

Ein weiterer Unterschied zwischen Superkondensatoren und Akku ist die Entladekurve. Während die Akkuspannung relativ konstant bleibt, bis dieser entladen ist, sinkt die Spannung am Superkondensator linear. Das bedeutet, dass der Entwickler seinen Superkondensator so auswählen muss, dass er für eine vorher festgelegte Zeit die erforderliche Spannung liefern kann. Daher werden Superkondensatoren und Akkus oft zusammen verwendet (Bild 2).

Superkondensatoren gibt es in vielen Formfaktoren, von zylindrischen Ausführungen, die wie Kondensatoren aussehen, über rechteckige Blöcke, prismatische Zellen oder sogar Pouch-Zellen (Bild 3). So ist beispielsweise die Baureihe BestCap von AVX ein Superkondensator mit niedrigem ESR und niedriger Bauhöhe mit Kapazitäten von 4,7 mF bis 1 F. Zylindrische Bauformen gibt es in Kapazitäten von 1 F bis 3000 F, sie können hohe Impulsleistungen bieten.

AVX, capacitors
© AVX

Bild 3: Formfaktoren von Superkondensatoren.

Die in Serie geschalteten Superkondensatormodule SCM von AVX (mit zwei oder drei Zellen) zeichnen sich durch eine sehr hohe Kapazität, einen niedrigen ESR-Wert und einen niedrigen Leckstrom bei Kapazitäten von 0,33 F bis 15 F aus. Prismatische Elektrolyt-Superkondensatoren vom Typ PrizmaCap von AVX weisen die Abmessungen von 25 mm × 21 mm bis 155 mm × 85 mm auf, mit einer flachen Bauform bis hinunter zu 0,5 mm Dicke. Sie reichen von 1 F bis 500 F bei einem Leckstrom von bis zu 10 µA.

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