Ratgeber
Wenn es um Elektronik und Technik geht, fällt früher oder später der Begriff Kondensator. Das ist wenig verwunderlich, da Kondensatoren fast ausnahmslos in jeder elektronischen Schaltung zu finden sind.
Denn aufgrund ihrer Bauform sind Kondensatoren in der Lage, ebenso wie beispielsweise Lithium-Ionen Akkus (Li-Ionen-Akkus) oder Li-Ionen-Batterien, elektrische Ladungen bzw. Energie zu speichern und wieder abzugeben.
Kondensatoren, die hierfür besonders geeignet sind, werden in der Elektronik oft als Superkondensatoren oder auch Supercaps bezeichnet.
In unserem Ratgeber erklären wir Ihnen die Technik, die hinter der hohen Kapazität und der spezifischen Leistung dieser Bauteile steckt.
Ein Superkondensator, Ultracap, Gold-Cap oder auch Supercap, ist im Prinzip ein Kondensator, der enorme Mengen an elektrischer Energie speichern kann.
Wenn an einem Kondensator eine Spannung von 1 V angelegt wird und daraufhin für die Dauer von 1 Sekunde ein Strom von 1 Ampere fließt, hat der Kondensator eine Kapazität von einem Farad. Die Einheit 1 Farad wurde nach dem britischen Experimentalphysiker Michael Faraday benannt.
Der Wert 1 Farad (1 F) ist ein sehr großer Kapazitätswert, der in handelsüblichen Schaltungen von Elektronikgeräten nicht unbedingt benötigt wird. Hier werden Kondensatoren benötigt, die nur einen Bruchteil des Wertes haben. Gängige Größenordnungen sind beispielsweise:
Millifarad (mF) = 1/1000 Farad
Mikrofarad (µF) = 1/1000 Millifarad
Nanofarad (nF) = 1/1000 Mikrofarad
Picofarad (pf) = 1/1000 Nanofarad
Bei einem Superkondensator bewegt sich die spezifische Kapazität auf einem ganz anderen Niveau. Hier werden mittlerweile Kapazitätswerte von bis zu einigen tausend Farad erreicht. Demzufolge tragen Superkondensatoren ihren Namen zu Recht.
Um diese hohen Kapazitätswerte zu erreichen, wurden herstellerseitig verschiedene Technologien entwickelt, nach denen die Super-Kondensatoren unterteilt sind.
Doppelschicht-Kondensatoren
Bei Doppelschicht-Kondensatoren kommt Aktivkohle als Elektrodenmaterial zum Einsatz. Die elektrische Energie wird statisch in den Helmholtz-Doppelschichten an den Elektroden gespeichert.
Pseudokondensatoren
Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder leitfähigen Polymeren. Die elektrische Energie wird elektrochemisch durch den faradayschen Ladungsaustausch gespeichert.
Hybridkondensatoren
Hybridkondensatoren wie z.B. die Lithium-Ionen-Kondensatoren nutzen sowohl die statische als auch die elektrochemische Speicherung. Dazu haben sie eine Elektrode mit einer hohen Doppelschichtkapazität und eine Elektrode mit einer hohen Pseudokapazität.
Grundsätzliche Funktion
Kollektor (1); Polarisierte Elektrode (2); Helmholtz-Doppelschicht (3); Elektrolyt mit positiven und negativen Ionen (4); Separator (5); Spannungsquelle (6).
Ein Superkondensator besteht aus zwei Elektroden, die durch einen Separator mechanisch und elektrisch voneinander getrennt sind.
Trotz der Trennung ist der Separator für Ionen durchlässig. Den Ladungsaustausch ermöglicht ein Elektrolyt, der positiv geladene Ionen (Kationen) und negativ geladene Ionen (Anionen) enthält.
Wenn an dem Kondensator eine Spannung angelegt wird, bildet sich an beiden Elektroden eine Helmholtz-Doppelschicht von negativ und positiv geladenen Ionen.
Aufgrund der unterschiedlichen Ladungen der Elektroden sind die Schichten spiegelbildlich aufgebaut.
Die beiden Schichten wirken wie zwei Kondensatoren, die in Serie geschaltet sind. Die Gesamtkapazität des Kondensators berechnet sich nach der Formel:
C1 · C2
Cgesamt = -------------
C1 + C2
Statische Doppelschichtkapazität
Kollektor (1); Polarisierte Elektrode (2); Molekulare Schicht aus polarisierten Lösungsmittelmolekülen (3); Elektrolyt (4); Separator (5); Sulvatisierte Kationen (6); Gouy-Chapmann Doppelschicht (7); Helmholtz Doppelschicht (8).
Die Oberflächen der Elektroden werden vom Elektrolyt großflächig benetzt. Genau in dieser Berührungsfläche (Phasengrenze) entstehen nach Anlegen einer Spannung zwei ionisierte Schichten (siehe Bild 2).
Bei einem wässerigen Elektrolyt werden die beiden Schichten durch eine molekulare Lage aus polaren Wassermolekülen getrennt.
Diese Wassermoleküle haften sowohl an der Elektrode (Adsorption) als auch an den Ionen (Solvation).
Die Ladungstrennung wirkt ähnlich wie das Dielektrikum in einem herkömmlichen Kondensator. Sie bewirkt die statische Speicherung der elektrischen Energie in einem elektrischen Feld.
Die extrem dünne Helmholtz-Schicht von einigen Nanometern und die enorm große Oberfläche der Elektroden mit bis zu 2500 m² pro Gramm sind der wesentliche Grund für die extremen Kapazitätswerte dieser Kondensatoren.
Elektrochemische Pseudokapazität
Kollektor (1); Polarisierte Elektrode (2); Molekulare Schicht aus polarisierten Lösungsmittelmolekülen (3); Elektrolyt (4); Separator (5); Sulvatisierte Kationen, die noch keinen direkten Kontakt zur Elektrode haben (6); Eingebettete Redox-Ionen, die ihre Ladung an die Elektrode abgegeben haben (7); Helmholtz Doppelschicht (8).
Bei einem Kondensator mit elektrochemischer Pseudokapazität schaffen es die Ionen, die trennende Schicht aus Lösungsmittelmolekülen zu überwinden und direkten Kontakt zur Elektrodenoberfläche zu erhalten.
Dabei verlieren die Ionen die sie umgebende Solvathülle.
Bei der anschließenden Anhaftung (Adsorption) findet ein Elektronentransfer (Redoxreaktion) bzw. ein faradayscher Ladungsaustausch statt, der zur Pseudokapazität beiträgt.
Eine chemische Verbindung zwischen den Redox-Ionen und der Anode findet nicht statt.
Der Vorgang ist umkehrbar, wodurch der Ladungsaustausch beim Entladen des Kondensators rückgängig gemacht wird.
Da die desolvatisierten Ionen keine Schutzhülle aus Lösungsmittelmolekülen mehr aufweisen, benötigen sie weniger Elektrodenoberfläche.
Demzufolge ist die Pseudokapazität an einer geeigneten Elektrode bei gleicher Oberfläche um ein Vielfaches höher als bei einer Doppelschichtkapazität.
Im Grunde sind Batterien, Akkus und Kondensatoren Energiespeicher, die in der Lage sind, elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Während Batterien und Akkus auf chemischen Umwandlungsprozessen basieren, nutzen Kondensatoren die Elektrostatik zur Speicherung der Energie. Zudem sind Batterien im Gegensatz zu Akkus oder Kondensatoren nicht wieder aufladbar und lediglich für den einmaligen Gebrauch ausgelegt.
Weitere Unterschiede zwischen einem Superkondensator und einem Akku liegen in der Energiedichte und der Leistungsdichte. Die Energiedichte ist dafür verantwortlich, wie lange ein elektrischer Verbraucher wie beispielsweise ein Motor von einem Energiespeicher betrieben werden kann. Die Leistungsdichte beschreibt, wie schnell der Motor beschleunigt werden kann.
In der Praxis bedeutet das, dass ein Akku mit seiner höheren Kapazität bzw. seiner höheren Energiedichte deutlich mehr Energie bzw. Strom speichern kann als ein Superkondensator mit gleicher Bauform.
Allerdings kann ein Super-Cap aufgrund seiner höheren Leistungsdichte die Energiemenge wesentlich schneller aufnehmen und auch schneller wieder abgeben. Kurze Ladezeiten und sehr hohe Entladeströme sind so leicht zu realisieren.
Zudem haben Supercaps eine hohe Zyklusfestigkeit und halten sehr viel mehr Lade-/Entlade-Zyklen stand als Akkus. Die Lebensdauer ist somit um ein Vielfaches größer. Aufgrund dieser Eigenschaften können Supercaps in vielen Anwendungen die bis dato genutzten Akkus ergänzen oder sogar komplett ersetzen.
Akku und Superkondensator im direkten Vergleich
Zum Vergleich wurden zwei Zellen mit annähernd gleicher Bauform und Baugröße gewählt.
| NiMH-Akku | Superkondensator | |
|---|---|---|
| Typ | EMMERICH NIMH AKKU SUB C 2400 MAH FT-1Z | VINAtech VEC3R0107QG Doppelschicht-Kondensator |
| Kapazität | 2400 mAh | 100 F |
| Betriebsspannung | 1,2 V | 3 V |
| Gespeicherte Energie* | 2,88 Wh | 0,08 Wh |
| Max. Stromstärke | 48 A | 75 A |
| Innenwiderstand | 15 mΩ | 6 mΩ |
| Zyklenfestigkeit / Lebensdauer** | Min. 500 | Über 500.000 |
| Abmessungen (Ø x H) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Gewicht | 54 g | 20 g |
| Temperaturbereich | 0 °C bis +45 °C | -40 °C bis +65 °C |
*Bei dem Wert handelt es sich um eine rein rechnerische Größe aufgrund der technischen Daten (laut Hersteller) und nicht um einen in der Praxis nutzbaren Wert.
**Die Zyklenfestigkeit steht im direkten Zusammenhang mit der Lebensdauer. Eine große Zyklenzahl sorgt für eine längere Lebensdauer. Allerdings ist die tatsächlich erreichbare Lebensdauer eines Superkondensators auch von den äußeren Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) abhängig.
Fazit: Bis auf die Energiedichte sind Supercaps den Akkus überlegen.
Doch es gibt einen wichtigen Punkt der beachtet werden muss: Da in vielen Fällen die Betriebsspannung einzelner Zellen zu gering ist, werden Akkus und Supercaps gerne in Serie geschaltet, um die Gesamtspannung zu erhöhen.
Während bei Akkus (Abbildung A) die Kapazität von zwei in Serie geschalteten Zellen gleich bleibt, reduziert sich bei den Kondensatoren (Abbildung B) der Kapazitätswert.
Aufgrund ihrer enormen Kapazität können Doppelschichtkondensatoren viel Energie aufnehmen, verlustarm speichern und auch wieder abgeben. Deshalb wurden die ersten Doppelschichtkondensatoren zur Spannungsversorgung von flüchtigen Speichern in den unterschiedlichsten Geräten eingesetzt. Auch heute werden Superkondensatoren noch vorzugsweise zur Stromversorgung, als Backup-Spannungsquellen oder zur Lastnivellierung genutzt.
Allerdings hatten die ersten Superkondensatoren aufgrund des hohen Innenwiderstandes noch ein nicht zu verschweigendes Manko. Sie konnten nicht für Hochstromanwendungen eingesetzt werden. So wurden in den 1980er Jahren an den Materialien der Kondensatoren stetig weitere Verbesserungen vorgenommen und leitfähigere Elektrolyte entwickelt. Dadurch konnte die Kapazität und vor allen Dingen die Strombelastbarkeit deutlich gesteigert werden.
Dank dieser Eigenschaften sind niederohmige LOW ESR-Superkondensatoren überall dort gefragt, wo kurzzeitig eine hohe Schaltbelastbarkeit notwendig ist. Aber auch in Fahrzeugen, wo beim Bremsen Energie gespeichert und beim Beschleunigen dem Antrieb wieder zugeführt wird (KERS oder Rekuperation), werden Supercaps gerne genutzt.
Superkondensatoren haben bauartbedingt einen Plus-Anschluss und einen Minus-Anschluss. Im praktischen Einsatz muss man sehr genau darauf achten, dass der Kondensator richtig gepolt in der Schaltung verwendet wird.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Betriebsspannung. Die kann bei Einzelzellen je nach Kondensatortyp und Bauweise zwischen 2,5 V und 5,5 V liegen.
Einige Hersteller integrieren zwei Kondensatoren in einem Gehäuse, um Betriebsspannungen von 6,0 V oder mehr zu erreichen. Da diese Spannungen für viele Applikationen oftmals zu gering sind, werden Supercaps sehr oft seriell verschaltet. Dadurch verringert sich jedoch entsprechend der nachfolgenden Formel die nutzbare Kapazität.
1/Cgesamt = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3) + (1/C4)
Die geringere Kapazität einer Serienschaltung wird dadurch kompensiert, dass mehrere serielle Kondensatorketten zu Superkondensatoren-Modulen parallelgeschaltet werden. So erreicht man die erforderliche Spannungsfestigkeit und die geforderte Kapazität. Allerdings muss durch passives oder aktives Balancing sichergestellt werden, dass die einzelnen Zellen nicht überladen werden.
Beim passiven Balancing werden lediglich Shuntwiderstände (R) parallel zum Kondensator geschaltet (siehe Abbildung A). Dies kann bei dynamischen Systemen gemacht werden, die oft geladen und entladen werden. Bei statischen Systemen, die eher selten geladen werden, sollte aktives Balancing durchgeführt werden. Dabei wird jeder Shuntwiderstand über einen Schalter (S) elektronisch zu- und weggeschaltet (siehe Abbildung B).