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Superkondensatoren

Unbekannte Kapazitätsriesen


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Alternative zu Akkumulatoren

Die in Batterien und Akkumulatoren üblichen elektrochemischen Vorgänge, bei denen sich das Elektrodenmaterial strukturell verändert und damit verschleißt, spielen bei Doppelschichtkondensatoren nur eine geringe Rolle. Sie tragen in den heute gebräuchlichen Bauformen von Superkondensatoren nur im Prozentbereich zur Kapazität bei.

Sehr wohl von Bedeutung sind stattdessen Ionenverschiebungen und chemische Bildungen dieser Ionen in der Doppelschicht, weshalb dieser Kondensatortyp häufig auch als elektrochemischer Kondensator bezeichnet wird. Mit Hilfe dieser Effekte sind die enorm hohen Feldstärken bis 5.000 kV/mm in der Doppelschicht erklärbar, während ein normales Dielektrikum hier durchschlagen würde.

Lade- und Entladeströme von Doppelschichtkondensatoren können sehr hoch sein. Tiefentladung indes ist kein Problem: 100.000 Lade- und Entlade-zyklen und mehr sind möglich und damit eine Lebensdauer von über 20 Jahren. Die Kapazitätswerte liegen bereits bei etwa 1/10 der von Akkumulatoren. Dafür sind Superkondensatoren im Zyklusbetrieb wesentlich leistungsfähiger als Akkumulatoren: Sie können sogar Rennwagen antreiben oder öffentliche Verkehrsmittel wie Elektrobusse, die beim kurzen Stopp an der Haltestelle über Kontakte wieder aufgeladen werden können. Das Fraunhofer-Institut hat in Dresden beispielsweise Hybridbusse fertigen lassen, die nach 15 s Ladung an der Haltestelle bis 2 km zur nächsten Ladestation rein elektrisch fahren können - erst bei längeren Fahrtstrecken ist ein Dieselmotor zuzuschalten.

Die Prinzipien von Elektrolytkondensatoren und Superkondensator wurden zu vergleichbarer Zeit entdeckt: 1875 von Eugène Adrien Ducretet (Elko) und schon 1853 von Hermann von Helmholtz (Supercap), wobei Helmholtz erst 1879 den Doppelschichteffekt definierte. Doch während der Aluminium-Elektrolytkondensator seit 1892 industriell eingesetzt und seit 1931 in der heute bekannten Technologie gefertigt wird, geriet der Superkondensator viele Jahre in Vergessenheit. Erst 1957 gab es erste Patente, und 1962 fuhr ein Kanu der Standard Oil mit Strom aus einem autobatteriegroßen Superkondensator zur Vorführung zehn Minuten über einen See in Ohio.

Standard Oil gab dieser Technik aber keine Marktchancen und überließ NEC deshalb die Patente. Zudem war selbst den Entwicklern der Superkondensatoren anfangs der Unterschied der Funktionsweise zu Elektrolytkondensatoren nicht klar: Standard Oil hatte sie noch als Elektrolytkondensatoren eingestuft. Seit 1971 gab es erste marktreife Produkte von NEC, und 1978 folgte der »Goldcap« von Panasonic mit 10 F. Ab 1992 waren Kapazitäten >1.000 F verfügbar. Epcos stieg Ende 2006 aus dem Superkondensator-Geschäft aus [5].

Relevante Anbieter

Typische Variation von ESR und Kapazität über der Temperatur bei einem Superkondensator.
Bild 3. Typische Variation von ESR und Kapazität über der Temperatur bei einem Superkondensator.
© Powerstor

Die Temperaturfestigkeit von Superkondensatoren (siehe Bild 3) ist höher als bei Akkumulatoren. Ebenso sind bei tiefen Temperaturen höhere Leistungen möglich als bei Akkumulatoren. Bestimmte Grenzwerte dürfen dennoch nicht überschritten werden, da sonst der Elektrolyt verdampft. Als Ende der Lebensdauer wird typischerweise ein Kapazitätsverlust um 30 % oder ein Anstieg des Innenwiderstands auf das Doppelte definiert. Ein Totalausfall des Superkondensators hingegen ist bei korrekter Behandlung selten.

Kombination mit Batterien

Die große Kapazität der Superkondensatoren wird neben der extrem dünnen Isolationsschicht dadurch erreicht, dass Superkondensatoren Kohlenstoffelektroden verwenden. Diese sind sehr porös und rau. Zumeist wird Aktivkohle verwendet - heute unter anderem Kohlenstoff-Aerogel bei Powerstor-Superkondensatoren. Es lassen sich über 3.000 m² Fläche mit einem Gramm Kohlenstoffpulver erreichen. Auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen wurden schon getestet; jedoch sind sie für eine Massenproduktion noch zu teuer.

Superkondensatoren sind kein Filterelement wie normale Kondensatoren und Elkos - sie sind primär Energiespeicher. Der Innenwiderstand bei höheren Frequenzen ist für eine Siebung ungeeignet - insbesondere bei getakteten Stromversorgungen und Umrichtern. Schon bei 10 Hz ist nur noch ein Bruchteil der Kapazität des Superkondensators wirksam, weil die Ionen an der Doppelschicht sich nicht schnell genug bewegen. Zudem ist der Innenwiderstand generell höher als bei Elektrolytkondensatoren, weshalb eine Nutzung als Filter- und Glättungskondensator wenig zufriedenstellt und zu Überhitzung und Ausfall führen kann.

Dafür können sie in USVs ohne weiteres einige Sekunden Stromausfall überbrücken, während USVs mit Akkumulatoren der ständigen Wartung und Überprüfung bedürfen. Selbst als Starthilfe im Automobil sind sie gut geeignet, da ihre Leistung nicht - wie die den üblichen Starterbatterien - bei niedrigen Temperaturen nachlässt. Nur der Preis ist für diese Anwendung gegenwärtig noch nicht konkurrenzfähig.

Eine Digital-Fotokamera kann mit einem zusätzlichen 6-F-Superkondensator die dreifache Zeit aus zwei Alkali-Mangan-Mignonzellen betrieben werden.
Bild 4. Eine Digital-Fotokamera kann mit einem zusätzlichen 6-F-Superkondensator die dreifache Zeit aus zwei Alkali-Mangan-Mignonzellen betrieben werden.
© Powerstor

Ebenso sind Superkondensatoren gut als Puffer verwendbar (Bild 4), wenn das zu versorgende Gerät, zum Beispiel ein optischer Rauchmelder, trotz Batterien zur Stromversorgung sehr impulsartig Strom zieht: Hier wird der ESR der Batterien insbesondere bei fortschreitender Entladung zu hoch.

Mit einem parallel geschalteten Superkondensator indes können die Batterien wesentlich länger genutzt werden, bevor ein Stromimpuls Unterspannung verursacht. Außerdem können auch langzeittaugliche Lithium-Ionen-Batterien anstelle der hochstromtauglicheren Alkali-Mangan-Zellen verwendet werden.

Elektrische Charakteristik

Bei Superkondensatoren handelt es sich um einen reinen Sekundärenergiespeicher. Die Selbstentladung heutiger Zellen ist zwar gering, aber dennoch nicht zur eigenständigen monatelangen Versorgung von Geräten geeignet. Die Selbstentladung ist immerhin gering genug, um Tage und teilweise auch noch Wochen zu überbrücken. Die Bauelemente werden aus Sicherheitsgründen nicht wie Akkumulatoren geladen ausgeliefert, und sie werden normalerweise auch nicht steckbar und somit wechselbar montiert. Die Spitzenströme bei Fehlbedienung (Kurzschluss) wären sehr hoch und könnten ernsthafte Schäden anrichten.

Superkondensatoren liefern nicht wie Batterien oder Akkumulatoren eine chemisch bestimmte, über längere Zeit konstante Spannung, die erst zum Entladeschluss schnell abfällt. Vielmehr fällt die Spannung - wie bei jedem Kondensator - bei konstanter Stromentnahme linear ab. Beim Absinken der Kondensatorspannung auf die Hälfte des Ausgangswerts sind bereits ¾ der gespeicherten Ladung abgeflossen. Es lohnt sich folglich nicht, diese Bauteile mit Weitbereichswandlern als Spannungsstabilisierung noch weiter zu entladen.

Tiefentladung wiederum ist prinzipiell kein Problem für Superkondensatoren, und auch ein schlagartiger Ausfall des Energiespeichers beim Erreichen der Entladeschlussspannung ist nicht zu befürchten.


  1. Unbekannte Kapazitätsriesen
  2. Alternative zu Akkumulatoren
  3. Berechnen von Superkondensator-Arrays
  4. Die richtige Elektrolytwahl

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