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Funktionsweise von Ultrakondensatoren als schnelle Energiespeicher

| Autor/ Redakteur: Wolf-Dieter Roth / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Ultrakondensatoren oder Superkondensatoren sind inzwischen viel im Gespräch, wenn es um Energiespeicher geht. Doch wie sind diese technisch aufgebaut, wie hoch ist ihre mögliche Energiekapazität und wie funktionieren sie eigentlich?

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Aktuelle Ultrakondensatoren der K2-Serie mit bis zu 3 V und 3000 F
Aktuelle Ultrakondensatoren der K2-Serie mit bis zu 3 V und 3000 F
(Bild: Maxwell)

Ultrakondensatoren beginnen da, wo normale Kondensatoren und Elkos aufhören: bei Kapazitäten, die sich an 1 F annähern. Doch ihre Funktion ist etwas anders: Sie sind weniger als Filterelement geeignet denn als Energiespeicher. Zudem erheben gerade die interessanteren Applikationen wie mobile Stromversorgungen besondere Ansprüche. Diesen können Ultrakondensatoren hervorragend nachkommen – wenn es die richtigen sind. Kleinere Ultrakondensatoren von unter einem bis zu einigen zehn Farad sind gut geeignet, um flüchtige Speicher in Geräten bei Netzunterbrechungen für einige Tage bis Wochen abzusichern oder kleine Stromverbraucher wie Fahrrad-Rücklichter einige Minuten zu versorgen. Auch als Pufferkondensator für Batterien, Akkus und als Netzstabilisierung sowie auch anstelle von Batterien in Taschenlampen und anderen Stromversorgungen wie in Smartmetern sind Ultrakondensatoren gut geeignet. Sie erreichen heute bereits 5 % der Kapazität gleichgroßer Akkus bei weit höheren zulässigen Lade- und Entladeströmen und Lebensdauern.

Effektive Energiespeicher

Die meisten Interessenten wollen mit Ultrakondensatoren jedoch tatsächlich Akkus ergänzen oder ganz ersetzen. Dank des praktisch verschleißfreien und schnellen Ladens und Entladens sind sie dort wirklich in ihrem Element. Allerdings sind dafür größere und höhere Kapazitäten im Bereich Hunderter bis Tausender Farad gefragt.

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Maxwell, der Marktführer bei Ultrakondensatoren, bietet verschiedene Zellen von 1 bis 3400 F sowie Module von 16 V bei 58 F bis 160 V bei 5,8 F an. Ultrakondensatoren speichern die Energie wie jeder Kondensator elektrostatisch. Dabei gehen im Kondensator zwar elektrochemische Vorgänge vor sich mit Ionentrennung, doch ohne chemische Reaktionen wie in Akkumulatoren. Damit entfällt auch der Verschleiß durch die Lade- und Entladevorgänge.

Extrem dünne „Isolierschicht“

Die hohe Kapazität entsteht dadurch, dass statt glatter oder angerauter Folien poröses Aktivkohlematerial etwa 2000 m² Elektrodenfläche pro Gramm erzeugt und die Dicke oder genauer „Dünne“ des Di­elektrikums durch die Ionentrennung bestimmt wird, welche eine oder genauer zwei isolierende Schichten unter 10 Å erzeugt – Ultrakondensatoren werden deshalb auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Damit ergibt sich zwar auch eine maximale Betriebsspannung von nur wenigen Volt, doch können Ultrakondensator-Arraymodule Hunderte von Volt Betriebsspannung bei immer noch zwei- bis dreistelligen Faradzahlen erreichen.

Von der Konstruktion her sind Maxwell-Ultrakondensatoren symmetrisch aufgebaut. Prinzipiell sollte die Polarität der angelegten Spannung deshalb keine Rolle spielen. Allerdings wird bei der Fertigung eine Polarität beim erstmaligen Aufladen festgelegt und bei dieser sollte der Benutzer später auch bleiben. Wird ein Ultrakondensator später andersherum gepolt betrieben, so ist zwar kein Totalausfall mit Explosion zu befürchten wie bei einem Elektrolytkondensator, doch eine dauerhaft verringerte Lebensdauer und Leistung.

Ultrakondensatoren sind relativ temperaturunabhängig, solange die zulässigen Grenzen insbesondere nach oben nicht überschritten werden. Ihre Kapazität bleibt von -40 bis 65 °C praktisch konstant, nur der Innenwiderstand steigt mit sinkenden Temperaturen, doch auch dies vergleichsweise mäßig. Batterien und Akkus werden in der Kälte dagegen meist völlig unbenutzbar.

Einflüsse auf die Lebensdauer

Auch bei den Maxwell-Ultrakondensatoren leiden bei Temperaturen über 65 °C und bei Überspannung sehr schnell die Lebensdauer und die Kenndaten; eine Überschreitung dieser Temperatur sollte deshalb vermieden werden. Kritisch sind gleichzeitig hohe Temperatur und hohe Spannung – wird auf sehr lange Lebensdauer Wert gelegt, sollten diese Grenzwerte nicht längere Zeit ausgereizt werden. Doch selbst dann sind noch lange Nutzungsdauern gewährleistet.

Feuchtigkeit ist unkritisch, solange sich kein Wasser auf den Kondensatoren niederschlägt und so Ableitströme verursacht. Die Ultrakondensatoren selbst reagieren nicht auf Feuchtigkeit, wenn sie originalverpackt oder eingebaut sind. Auch der Luftdruck ist unkritisch, was für die Nutzung in der Luftfahrt wichtig ist.

Im Gegensatz zu Batterien ist das Tiefentladen eines Ultrakondensators absolut unkritisch. Tatsächlich ist die Lebensdauer bei Lagerung im entladenen Zustand praktisch unbegrenzt und der Transport entladen und mit überbrückten Anschlüssen möglich, um die Gefahr einer Entladung durch Kurzschluss beim Transport oder hohe, gefährliche Berührspannungen bei Modulen auszuschließen. Bei Modulen ist die Überbrückung beim Transport vorgeschrieben. Wird die Überbrückung aufgehoben, kann sich nach einiger Zeit eine maximale Restspannung von etwa 0,2 V pro Zelle aufbauen.

Geringe Leckströme

Leckströme haben bei Ultrakondensatoren übrigens zum größten Teil kein mangelhaftes Dielektrikum zur Ursache. Vielmehr führt die riesige Oberfläche der Kohleelektroden zu einer für einen Kondensator ungewohnt hohen Zeitkonstante von etwa einer Sekunde für das Laden und Entladen – für einen Akkumulator wäre dies wiederum eine sehr geringe Zeitkonstante! Erst nach 72 Stunden ist der Kondensator komplett ge- oder entladen.

Die letzten 0,5 % der Oberfläche sind infolge des porösen Materials und der Geometrie besonders schwer erreichbar. Dies führt dazu, dass es Stunden bis Tage dauern kann, bis diese Teile auch geladen sind – und das macht sich elektrisch als vermeintliches „Leck“ bemerkbar. Umgekehrt sind diese 0,5 % auch daran „schuld“, dass sich nach dem vollständigen Entladen eines Ultrakondensators nach einiger Zeit die bereits erwähnte Restspannung von bis zu 0,2 V pro Zelle aufbauen kann, wenn der Entladekreis entfernt wird. Im Gegensatz zu Akkumulatoren sind dort keine chemischen Prozesse im Spiel, sondern es machen sich Regionen bemerkbar, die zuvor gar nicht komplett entladen worden sind.

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