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Technologie-Vergleich

Welcher Kondensator-Typ passt zu mir?

29. April 2015, 8:19 Uhr | von Marcel Consée

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Elkos und »Superkondensatoren«

Auf die Polung zu achten ist bei Elektrolytkondensatoren (Elkos, Bild 3). Ihre Anode besteht aus einem Metall wie Aluminium, Tantal und/oder Niob, auf dem durch Elektrolyse eine dünne, elektrisch isolierende Schicht aus dem Oxid des Anodenmetalls erzeugt wird, die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Zur Vergrößerung der Oberfläche wird die Anode strukturiert, bei Aluminium-Elkos wird die Anodenfolie aufgeraut, bei Tantal- und Niob-Elkos hingegen Metallpulver zu einem schwammartigen Körper gesintert. Der Elektrolyt kann flüssig (Ionenleiter) oder fest (Elektronenleiter) sein und bildet die Kathode, die sich der strukturierten Oberfläche der Anode perfekt anpasst. Die Stromzuführung zum Elektrolyten erfolgt über Folien gleichen Metalls wie das der Anode oder über eine andere geeignete Kontaktierung. Sie dürfen niemals mit falsch gepolter Spannung betrieben werden und können schon bei geringer Überspannung zerstört werden. Zur besseren Verpolungssicherheit gibt es Bauformen mit drei Pins, die in Form eines unregelmäßigen Dreiecks angeordnet sind und sich daher nur in einer bestimmten Position in die Platine löten lassen. Der dritte Pin ist je nach Hersteller entweder unbeschaltet, mit dem Gehäuse oder mit der Kathode verbunden. Durch gegenpolige Serienschaltung zweier Anodenfolien in einem Kondensatorgehäuse werden für spezielle Anwendungen (zum Beispiel Tonfrequenzweichen) auch Bipolar-Elektrolytkondensatoren für Wechselspannungsbetrieb hergestellt. Zu den neueren Entwicklungen gehören Aluminium- und Tantal-Elektrolytkondensatoren mit Polymer-Elektrolyten aus leitfähigen Polymeren, die sich durch besonders geringe interne ohmsche Verluste auszeichnen. Hauptvorteil von Elektrolytkondensatoren ist die – bezogen auf das Bauvolumen – relativ hohe Kapazität im Vergleich zu Keramik- und den Kunststoff-Folienkondensatoren.

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Die größte Energiedichte aller Kondensatoren weisen »Superkondensatoren« auf (Bild 4). Ihre hohe Kapazität, bezogen auf das Bauvolumen, basiert im Allgemeinen auf dem physikalischen Phänomen äußerst dünner elektrisch isolierender Helmholtz-Doppelschichten an den Oberflächen spezieller großflächiger Elektrodenmaterialien, in denen die elektrische Energie statisch als Doppelschichtkapazität in elektrischen Feldern gespeichert wird. Andererseits stammt sehr oft ein weiterer Anteil an der hohen Kapazität aus einer sogenannten Pseudokapazität, einer innerhalb enger Grenzen spannungsabhängigen elektrochemischen (faradayschen) Speicherung elektrischer Energie, die mit einer Redoxreaktion und mit einem Ladungsaustausch an den Elektroden verbunden ist, wobei allerdings im Unterschied zu Akkumulatoren an den Elektroden keine chemische Stoffänderung eintritt. Die Pseudokapazität kann durch spezielle Elektroden bei gleichem Bauvolumen einen erheblich größeren Wert als die Doppelschichtkapazität erreichen.

Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Familien:

Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil an faradayscher Pseudokapazität.
Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität. Zu den Hybridkondensatoren gehören die Lithium-Ionen-Kondensatoren.

Bei allen Superkondensatoren bildet der Elektrolyt die leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektroden. Das unterscheidet sie von Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt die Kathode bildet, also eine der Elektroden ist, die mit dem negativen Anschluss des Kondensators verbunden ist. Superkondensatoren sind gepolte Bauelemente, die nur mit korrekter Polarität betrieben werden dürfen.