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Murata: Superkondensatoren vermeiden Feuchtigkeitsschäden

Viel Energie schnell speichern und schnell abgeben

23. September 2015, 13:01 Uhr | Atsushi Kawashima, Senior Manager im High Performance Power Device Dept von Murata

Bild 1: Aufbau eines Superkondensators (EDLC)

Superkondensatoren können im Allgemeinen 10- bis 100-mal mehr Energie speichern als Elektrolytkondensatoren. Zudem sind sie in der Lage, Ladung wesentlich schneller aufzunehmen und wieder abzugeben als Batterien.

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Im Unterschied zu Keramik- oder Elektrolytkondensatoren haben Superkondensatoren (Electric Double-Layer Capacitors, EDLCs) kein Dielektrikum. Stattdessen nutzen sie die elektrische Doppelschicht, die sich an der Grenzfläche zwischen dem Feststoff (Elektrode) und der Flüssigkeit (Elektrolyt) ausbildet.

Bild 1 zeigt den Aufbau eines Superkondensators. Ein typischer Superkondensator besteht aus Elektroden und Elektrolyten (die ein Elektrolytsalz enthalten) sowie aus einem Separator, der einen mechanischen Kontakt zwischen positiven und negativen Elektroden verhindert. Die Elektroden befinden sich an den Stromsammlern und sind mit aktiviertem Kohlenstoffpulver beschichtet. An allen Grenzflächen, an denen das aktivierte Kohlenstoffpulver mit dem Elektrolyt in Kontakt kommt, bildet sich eine elektrische Doppelschicht.

Beim Laden eines Superkondensators werden die negativen Ionen und Fehlstellen auf Seiten der positiven Elektrode sowie die positiven Ionen und Elektronen auf Seiten der negativen Elektrode entlang der Grenzfläche angeordnet. Diese Anordnung von Ionen und Elektronen (Fehlstellen) wird als elektrische Doppelschicht bezeichnet. Da sich diese Schicht als Resultat der mechanischen Bewegung von Ionen bildet, spielt hier (anders als bei Batterien) keine chemische Reaktion eine Rolle, was dem Superkondensator eine höhere Beständigkeit gegen Lade- und Entladezyklen gibt.

Um den Elektroden eine größere Oberfläche zu verleihen, werden sie mit aktiviertem Kohlenstoff beschichtet. Diese Oberfläche des aktivierten Kohlenstoffs weist sehr feine Poren auf. Da die speicherbare Ladungsmenge mit der Größe der Oberfläche wächst, kommt der Superkondensator so auf eine sehr große Kapazität. Angeboten werden Superkondensatoren in vielen Bauformen und Strukturen. (Bild 2).

Superkondensatoren im Vergleich mit Kondensatoren und Batterien

Bild 3 ordnet die Superkondensatoren im Vergleich mit anderen Kondensatoren ein, wobei die Kapazität auf der X-Achse und die Nennspannung entlang der Y-Achse aufgetragen sind. Keramik-Kondensatoren eignen sich für einen großen Bereich von Nennspannungen, aber ihre Kapazität beträgt höchstenfalls ein paar hundert Mikrofarad. Im Gegensatz zu anderen Kondensatortechnologien bringen es einige Superkondensatoren auf sehr hohe Kapazitätswerte. Sie können zwischen einigen hundert Millifarad und mehr als einem Farad liegen.

Doch wie sieht es in puncto Energiegehalt und Leistung beim Vergleich zwischen Superkondensatoren und Elektrolytkondensatoren sowie Batterien aus? In Bild 4 gibt die entlang der X-Achse aufgetragene Energiedichte an, wieviel Ladung speicherbar ist. Auf der Y-Achse ist die Leistungsdichte aufgetragen. Sie ist ein Maß dafür, wie viel Elektrizität augenblicklich wieder abgegeben werden kann. Batterien können große Ladungsmengen speichern, allerdings ist die Leistung, das heißt die Energiemenge, die pro Zeiteinheit abgegeben werden kann, gering. Umgekehrt sind Elektrolytkondensatoren in der Lage, in kurzer Zeit viel Energie abzugeben. Dafür ist aber die speicherbare Ladungsmenge gering. Superkondensatoren sind hinsichtlich dieser Eigenschaften in der Mitte einzuordnen: Sie können mehr Energie speichern als andere Kondensatoren und sind in der Lage, pro Zeiteinheit mehr Energie abzugeben als Batterien.