Doppelschichtkondensatoren Energiespeicher für hohe Belastung

Mit wirksame Verbesserungen der Doppelkondensatoren, entwickeln sie sich als ochbelastbare, robuste Energiespeicher.
Doppelschichtkondensatoren entwickeln sich zu hochbelastbaren, robusten Energiespeichern.

Obwohl Doppelschichtkondensatoren seit Jahrzehnten bekannt und bewährt sind, bieten sie Potenzial für Innovationen. Durch wirksame Verbesserungen in der Produktion erschließen sie sich auch neue Anwendungsfelder als hochbelastbare und robuste Energiespeicher.

Nachhaltigkeit, saubere Energie und Energieeinsparung sind Zielsetzungen, die mit dem wachsenden Umweltbewusstsein in der Gesellschaft an Bedeutung gewonnen haben. Dieses Umweltbewusstsein fließt in viele Entwicklungen der Elektronik ein, die aber oftmals an den heute zur Verfügung stehenden Energiespeichern scheitern oder nicht optimal umgesetzt werden können.

Der richtige Energiespeicher wird also zunehmend zum Schlüssel für viele notwendige Entwicklungen besonders bei der Speicherung überschüssiger Energien, die bei der Energieerzeugung oder der Energie-Rückgewinnung produziert werden. Sie helfen beispielsweise den Fahrzeugen, sauberer zu werden, und den Windkraftanlagen, optimal den Wind zu nutzen und dem Wetter trotzen zu können.

Von kleinen Applikationen im Alltag bis hin zu Kraftwerken: Überall werden Energiespeicher in der Leistungselektronik benötigt. Doch wie können Energiespeicher diese vielseitigen Herausforderungen erfüllen und wie ist es auch um ihre eigene Nachhaltigkeit bestellt?

Sind Doppelschichtkondensatoren die ideale Alternative?

Dem Doppelschichtkondensator haftet der Ruf einer Low-Tech-Komponente an. Erst seit kurzer Zeit rückt diese Technik wieder in den Fokus, denn sie hat Eigenschaften, die vorteilhaft gegenüber anderen Energiespeichern sind. Die Technik des Doppelschichtkondensators basiert auf der Ladungsspeicherung in der namensgebenden Doppelschicht. Der Grundstein hierzu wurde zwar schon 1853 von Hermann von Helmholtz gelegt, aber erst über ein Jahrhundert später wurden die ersten Doppelschichtkondensatoren massentauglich produziert und vermarktet. Heute sind sie unter verschiedenen Namen bekannt, als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren, doch ihre physikalische Basis ist die gleiche.

Der Aufbau eines EDLC (Electric Double-Layer Capacitor) ist simpel, aber effektiv. Er wurde bereits im Beitrag über Lithium-Ionen-Kondensatoren [1] ausführlich beschrieben. Zwei Elektroden bilden die Basis der Konstruktion. Das Elektrodenmaterial – meist Aktivkohle, Graphenstrukturen oder Kohlenstoff-Nanomaterialien – wird auf einen elektrisch kontaktierbaren Kollektor aufgebracht und bildet so eine der beiden Elektroden des Kondensators.

Eine Membran, der sogenannte Separator, trennt die beiden Elektroden voneinander und schützt sie dadurch vor Kurzschlüssen. Der Separator ist durchlässig für die Ionen des meist flüssigen Elektrolyten. Der Elektrolyt fungiert als Ionenlieferant und ist Träger des elektrischen Stroms im EDLC (Bild 1).

Wird eine Spannung angelegt, wandern die positiv und negativ geladenen Ionen jeweils spiegelbildlich zu den Elektroden. Dort sammeln sie sich an den jeweiligen Phasengrenzen zwischen der festen Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten und bilden die sogenannte Doppelschicht. Es stehen sich also Ionen aus dem Elektrolyten und die Ionen der Elektrode gegenüber, auch Gegenionen genannt.

Die Lösungsmittelmoleküle, die die Ladungen voneinander trennen, werden durch das wirkende elektrische Feld polarisiert. Die Doppelschicht fungiert als Plattenkondensator; in der Gesamtheit wirken daher zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren (Bild 2).

Weil das Dielektrikum nur aus einer Schicht von Lösungsmittelmolekülen gebildet wird, ist der »Plattenabstand« des Kondensators sehr gering. Zusammen mit der großen Oberfläche der Elektroden erreicht der EDLC gemäß der Formel für die Kapazität eines Plattenkondensators seine bekanntermaßen große Gesamtkapazität.

Die Elektrode macht den Unterschied

Eine Voraussetzung zur Bildung einer Doppelschicht ist ein geeignetes Elektrodenmaterial. Vor etwa 60 Jahren wurden die ersten Untersuchungen zu neueren Speichermethoden und Materialien durchgeführt, und schon zu Beginn kam Aktivkohle als Elektrodenmaterial zum Einsatz.

Im zeitlichen Verlauf untersuchten die Forscher weitere Materialien auf ihre Eignung für den Einsatz in Doppelschichtkondensatoren und entwickelten diese auch weiter. Das heute gebräuchlichste Elektrodenmaterial ist Aktivkohle. Es ist zwar ein eher mäßig elektrisch leitfähiges Material, weist jedoch eine hohe Porosität auf, die zu einer großen Oberfläche relativ zum Volumen führt (Bild 3).

Dieses Bild zeigt die »schwammartige« Struktur der Aktivkohle in 80.000-facher Vergrößerung.

Mit einer Dichte von bis zu 0,5 g/cm³ und einer theoretischen Oberfläche zwischen 1000 m²/g und 2000 m²/g kann eine große Oberfläche in einem geringen Volumen erreicht werden. Zusammen mit ihren günstigen Herstellungskosten ist Aktivkohle daher weiterhin das gebräuchlichste Material für Doppelschicht-kondensatoren.

Die größte Stärke des Materials ist zugleich ihre größte Schwäche: die Poren der Aktivkohle liegen in unterschiedlichen Größen vor und begrenzen abhängig ihrer Größe die zur Verfügung stehende Fläche zur Ausbildung einer Doppelschicht.

Die an der Bildung der Doppelschicht beteiligten Ionen sind »solvatiert«, das heißt umhüllt von Lösungsmittelmolekülen aus dem Elektrolyten. Mit dieser Hülle können sie nur langsam in kleinere Poren eindringen, die Folge ist ein erhöhter Serienwiderstand (ESR – äquivalenter Serienwiderstand). Gleichzeitig reduzieren die sogenannten Mikroporen die für die Doppelschicht zur Verfügung stehende Oberfläche, was wiederum zu einer reduzierten Kapazität führt (Bild 4).

Die Kohlenstoffstrukturen sind entlang der Kristallstrukturen der wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatome elektrisch leitfähig, im Vergleich dazu ist die Leitfähigkeit zwischen den Gitterstrukturen relativ schlecht. Durch die ungeordnete makroskopische Struktur der Aktivkohle ist auch ihre Leitfähigkeit begrenzt, was sich in einem ebenfalls erhöhten ESR widerspiegelt.

Abhilfe hierzu versprechen moderne, elektrisch leitfähige Polymere. Sie lassen sich als sogenannte Binder in die Aktivkohle einbringen und erhöhen die Leitfähigkeit durch Elektronenleitung signifikant. Hier liegt auch ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung. Über verbesserte Polymere als Binder soll nicht nur die Stabilität gewährleistet, sondern auch die Leitfähigkeit weiter gesteigert werden. Eine geeignete Prozessführung bei der Herstellung der Aktivkohleelektroden ermöglicht es, gezielt bestimmte Porengrößen zu erzeugen. Dies führt zu einer optimalen Ausnutzung der Oberfläche in der Aktivkohle.

Ein weiterer Faktor, der vom Kondensatorenhersteller gesteuert werden muss, ist die Schichtdicke der Aktivkohle: Eine zu dicke Aktivkohleschicht führt zu einer Abnahme der Leistungsdichte, eine zu dünne Schicht dagegen verursacht eine Abnahme der Energiedichte.

Viele Hersteller von Doppelschichtkondensatoren versuchen, die Leitfähigkeit über den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ein- oder mehrwandig, weiter zu erhöhen, was aber mit Blick auf stetig steigenden Bedarf an Energie weniger marktorientiert scheint.