Energiespeicherung der Zukunft Die stille Kraft der Superkondensatoren

Superkondensatoren immer wichtiger in der Leistungselektronik. Sie können in Zukunft die Batterien ersetzen.
Superkondensatoren immer wichtiger in der Leistungselektronik. Sie können in Zukunft die Batterien ersetzen.

Superkondensatoren stehen bei der Entwicklung zukünftiger Leistungselektronik selten im Fokus. Dabei werden sie zu immer wichtigeren Bestandteilen leistungsfähiger Elektroniklösungen und könnten eines Tages Batterien womöglich vollständig ersetzen.

Von der Energiegewinnung im Kleinen bis zum Kraftwerk ist Leistungselektronik überall im Einsatz und es gibt keine Anwendung, die keine Energie benötigt. Die Leistungselektronikindustrie ist sehr dynamisch: Viele neue Technologien haben das bislang Unmögliche nun möglich gemacht. In dem ständigen Bestreben, das Leistungsniveau, die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit zu erhöhen, erfahren neue Komponenten und Technologien wie Wide-Bandgap-Halbleiter und Digital-Power-Management-Komponenten einen regelrechten Hype, der für viel Aufmerksamkeit und eine große Reichweite sorgt. Aber abseits des Rampenlichts gibt es eine Komponente, die in vielen Anwendungen ebenfalls einen überaus wichtigen Beitrag leistet: den Superkondensator.

Superkondensatoren sind fast überall zu finden, obwohl sie selten im Fokus stehen – vielleicht, weil ihnen als passive Komponenten ein Lowtech-Image innewohnt. Doch wenn man die Geschichte und Technologie der Superkondensatoren betrachtet, wird ihr Potenzial ins rechte Licht gerückt.

Von Howard Becker bis Elon Musk

In den frühen 50er-Jahren, als Kondensatoren aus imprägniertem Papier und Glimmer hergestellt wurden, erforschte General Electric Wege, um deren Kapazität zur Speicherung und Freisetzung höherer Energieniveaus zu steigern beziehungsweise Spannungseinbrüche in der Elektronik oder in streng geheimen militärischen Anwendungen absorbieren zu können. Die Forschung wurde von Howard I. Becker und seinem Team durchgeführt, die am 14. April 1954 ein Patent für einen »Niederspannungs-Elektrolytkondensator« mit einer porösen Kohlenstoffelektrode einreichten. Am 23. Juli 1957 wurde das Patent US2800616A erteilt, das den Weg für weitere Innovationen ebnete. Beckers Erfindung war der Beginn eines Wettlaufs zwischen verschiedenen Labors, die die Erfindung in ein massentaugliches Bauteil überführen wollten. Zum Beispiel patentierte Philips NV im Jahr 1958 ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Elektrolytkondensatoren.

Obwohl die Erfindung des Elektrolytkondensators für die Elektronikindustrie ein wichtiger Schritt nach vorne war, reichte die Kapazität immer noch nicht aus, um höhere Energieniveaus zu speichern, wie sie zur Stabilisierung eines Stromnetzes oder zur Bereitstellung sehr hoher Reserven für bestimmte Anwendungen in der Verteidigungsindustrie erforderlich sind. Es dauerte weitere sechs Jahre nach Beckers Patent, bis für den Ingenieur der Standard Oil Company, Robert A. Rightmire, am 29. November 1966 ein weiteres Patent erteilt wurde. Das US3288641A-Patent für ein »Elektrisches Energiespeichergerät« beschreibt Folgendes: »Eine elektrische Energiespeichervorrichtung zum Speichern von Energie im elektrostatischen Zustand als Doppelschicht aus Elektronen-Ionen und Protonen an zusammenwirkenden Grenzflächen….«.

Der Superkondensator war geboren. Interessanterweise dauerte es dann jedoch weitere zehn Jahre, bis die Erfindung zur Marktreife gelangte.Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Energiemengen in sehr kurzer Zeit zu speichern und freizusetzen, intensivierte sich die Forschung an Hochleistungs-Superkondensatoren für Elektrofahrzeuge. Die Zahl der Erfindungen und Patente stieg rasant an. Die wichtigste Anwendung bei Elektrofahrzeugen bestand darin, die beim Verzögern und Bremsen erzeugte Energie zu speichern und wiederzuverwenden, um beispielsweise den Motor beim Beschleunigen anzutreiben. Das Potenzial des Superkondensators weckte im März 2011 auf dem Cleantech-Forum in San Francisco Aufmerksamkeit: Als es um die Zukunft von Elektrofahrzeugen ging, sagte Elon Musk: »Wenn ich eine Vorhersage machen sollte, würde ich denken, dass es eine gute Chance gibt, dass es nicht Batterien sind, sondern Superkondensatoren, die die Zukunft von Elektrofahrzeugen voranbringen werden«. Es sei daran erinnert, dass Musk ursprünglich nur nach Kalifornien kam, um die Physik von Kondensatoren mit hoher Energiedichte in Stanford zu studieren. Seine Rede löste viele Spekulationen über das Potenzial von Superkondensatoren aus – mit der Einschätzung, dass sie die Lösung für die Massenspeicherung von Energie sein würden, die schließlich Batterien ersetzen könnten. Die Realität sieht jedoch etwas anders aus, denn vom Zeitpunkt der ursprünglichen Patente von Becker und Rightmire bis heute hat sich die Superkondensator-Technologie hauptsächlich in aller Stille »hinter den Kulissen« entwickelt.

Das Superkondensator-Prinzip

Wie aus der Schulphysik bekannt ist, besteht ein Kondensator aus zwei Metallplatten oder Leitern, die durch einen Isolator wie Luft, eine Kunststofffolie oder Keramik getrennt sind.

Während des Ladevorgangs lösen sich die Elektronen von der einen Platte und sammeln sich auf der anderen. Mit der Erfindung von Robert A. Rightmire wurden neue Wege für die Speicherung von Hochenergie eröffnet.

Eine Superkondensatorzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden, einem Separator und einem Elektrolyten. Die Elektroden bestehen aus einem metallischen Kollektor, der der hochleitende Teil ist, und einem aktiven Material (Metalloxide, Kohlenstoff und Graphit sind die am häufigsten verwendeten), das der hochflächige Teil ist. Die beiden Elektroden sind durch eine Membran getrennt, die die Mobilität der geladenen Ionen ermöglicht, aber die elektrische Leitfähigkeit verbietet. Das System ist mit einem Elektrolyten imprägniert (Bild 1).

Die geometrische Größe der beiden Kohlenstoffplatten und der Separatoren ist so ausgelegt, dass sie eine sehr große Oberfläche aufweisen. Der hochporöse Kohlenstoff kann aufgrund seiner Struktur mehr Energie speichern als jeder andere Elektrolytkondensator.

Wenn eine Spannung an die positive Platte angelegt wird, zieht sie negative Ionen aus dem Elektrolyten an, und wenn eine Spannung an die negative Platte angelegt wird, zieht sie positive Ionen aus dem Elektrolyten an. Dadurch bilden sich auf beiden Seiten der Platte Ionenschichten in einer sogenannten Doppelschichtbildung, wodurch die Ionen in der Nähe der Oberfläche des Kohlenstoffs gespeichert werden. Dieser Mechanismus gibt Superkondensatoren die Möglichkeit, hohe Energien innerhalb kürzester Zeit zu speichern und wiederherzustellen.

Die Oberfläche des aktiven Teils ist der Schlüssel zur Kapazität des Superkondensators; eine Vergrößerung der Oberfläche erhöht die Kapazität. Besonders interessant und spannend in der Superkondensatortechnik sind die Möglichkeiten, die die Einführung von Nanotechnologien bietet. Ein Beispiel ist der Ersatz der herkömmlichen Aktivkohleschicht durch eine dünne Schicht aus Milliarden von Nanoröhren. Jedes Nanoröhrchen ist wie ein einheitlicher Hohlzylinder mit 5 nm Durchmesser und 100 µm Länge vertikal über die leitenden Elektroden gewachsen. Durch den Einsatz von Milliarden solcher Röhrchen können enorm hohe Kapazitätsdichten erreicht werden.

Werden Superkondensatoren Batterien ersetzen?

Nach Elon Musks Rede auf dem Cleantech-Forum 2011 gab es ein großes Interesse an Superkondensatoren. Das Potenzial der Nanotechnologien nährt in diesem Zusammenhang die Hoffnung, dass Superkondensatoren irgendwann in der Zukunft einmal einen Punkt erreichen könnten, an dem sie die Leistungsfähigkeit von Akkus erreichen.

Bild 2 zeigt die Energie- und Leistungsdichte für verschiedene Arten von Energiespeichern. Dem lässt sich entnehmen, dass sich die Leistungsniveaus von Brennstoffzellen, Batterien und Akkus, Ultrakondensatoren und konventionellen Kondensatoren derzeit nicht überschneiden. Sie sind jedoch komplementär, wobei die jüngsten technologischen Fortschritte den Leistungsniveau-Abstand zwischen Akkus und Superkondensatoren verringert haben.

Jede der genannten Energiespeicher-Technologien hat ihre Vor- und Nachteile, die bei der Entwicklung von Energiesystemen berücksichtigt werden muss. In Tabelle 1 werden die Schlüsselparameter von Lithium-Ionen-Akkus und Superkondensatoren verglichen. Es ist offensichtlich, dass einer der Hauptvorteile des Superkondensators seine besonders hohe Zyklenfestigkeit darstellt. Das bedeutet, dass er praktisch unbegrenzt oft auf- und entladen werden kann. Dies ist bei elektrochemischen Batterien mit einer definierten, viel kürzeren Lebensdauer wohl auch zukünftig nicht erreichbar.

Auch der Aspekt der Alterung spricht für Superkondensatoren. Unter normalen Bedingungen verlieren sie von einer ursprünglichen Kapazität von 100 % nur 20 % innerhalb von zehn Jahren, was weit über dem Niveau jedes Akkus liegt. Systementwickler, die Systeme in rauen Umgebungen betreiben müssen, können Superkondensatoren bei sehr niedrigen bis hohen Temperaturen ohne Beeinträchtigung einsetzen, was mit Akkus nicht möglich ist. Auf der anderen Seite entladen sich Superkondensatoren innerhalb von 30 bis 40 Tagen von 100 auf 50 %, während sich Blei- und Lithium-Akkus im gleichen Zeitraum um etwa 5 % selbstentladen. Aber Superkondensatoren werden auch in dieser Hinsicht immer besser.

Mit der wachsenden Nachfrage nach erneuerbarer Energie und den noch zu lösenden Herausforderungen bezüglich der Energiespeicherung stellt sich die Frage nach den Beweggründen für den Bau großer Lithium-Ionen-Akku-Speicherbänke. Denn es ist bekannt, dass Lithium-Ionen-Akkus eine begrenzte Lebensdauer haben. Neben dem Verbrauch wertvoller Rohstoffe sind sie nicht einfach zu recyceln und es gibt diverse Umweltrisiken. Die aktuelle Forschung diesbezüglich ist sehr interessant. Beispielsweise klingen die Veröffentlichungen der Universitäten Surrey und Bristol aus dem Februar 2018 zur Entwicklung von Polymermaterialien sehr vielversprechend. Die Forscher erreichten in der Praxis Kapazitätswerte von bis zu 4 F/cm², während der aktuelle Industriestandard 0,3 F/cm² beträgt. Prognostiziert wird, dass in naher Zukunft sogar 11 bis 20 F/cm² erreicht werden können. Wenn solche Kapazitätswerte schließlich realisiert sind, entspricht das Energiedichten von etwa 180 Wh/kg, also den mit Lithium-Ionen-Akkus realisierbaren Werten.

Wie schnell sich die Lücke zwischen Superkondensatoren und Akkus schließen lassen wird, bleibt abzuwarten, aber angesichts der Anzahl an eingereichten Patenten und an eingereichten Arbeiten sowie angesichts des Interesses aus der Industrie sollte es nicht mehr allzu lange dauern.