Superkondensator

Grundidee und Einordnung

Superkondensatoren, auch Supercaps, Ultrakondensatoren oder Ultracaps genannt, sind elektrochemische Kondensatoren. Sie sind eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren und schließen technisch eine Lücke zwischen gewöhnlichen Kondensatoren und Akkumulatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts besitzen sie nur etwa 10 % von deren Energiedichte, können also deutlich weniger Energie speichern. Ihre Leistungsdichte ist aber etwa zehn- bis hundertmal so groß. Deshalb können sie sehr schnell geladen und entladen werden und sehr viele Lade-Entlade-Zyklen überstehen.

Superkondensatoren gehören als Industrieprodukte zu den passiven elektronischen Bauelementen. Ihre Kapazitätswerte können mit bis zu 10 000 F/1,2 V etwa 10 000-fach größer sein als die von Elektrolytkondensatoren. Sie sind gepolte Bauelemente und dürfen nur mit korrekter Polarität betrieben werden; falsche Polarität kann Gasbildung und Zerstörung verursachen. Sie sind außerdem nicht für Wechselspannungsanwendungen geeignet.

Typische Einsatzgebiete reichen vom Datenerhalt in statischen Speichern (SRAM) über unterbrechungsfreie Stromversorgungen bis zu Leistungsanwendungen wie Nutzbremsung in Bussen und Bahnen, KERS-Systemen in Rennwagen oder Unterstützung von Start-Stop-Systemen in Kraftfahrzeugen.

Speicherprinzipien und Familien

Superkondensatoren besitzen kein Dielektrikum im herkömmlichen Sinne. Ihre Kapazität entsteht aus zwei Speicherprinzipien, die sich zur Gesamtkapazität addieren: der Doppelschichtkapazität und der Pseudokapazität.

Die Doppelschichtkapazität ist die statische Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten. Beim Anlegen einer Spannung bilden sich an den Elektroden Schichten aus entgegengesetzt geladenen Ionen. Eine molekulare Schicht des Lösungsmittels wirkt dabei elektrisch trennend, ähnlich wie ein Dielektrikum. Die Kapazität folgt dem Grundprinzip des Plattenkondensators: C = ε0 εr · A / d. Sie wird größer, wenn die Elektrodenfläche A groß ist und der Abstand d klein ist.

Die Pseudokapazität ist eine elektrochemische Speicherung durch faradayschen Ladungstausch mit Redoxreaktionen. Dabei übertragen adsorbierte Ionen Elektronen an die Elektrode, ohne eine chemische Bindung mit ihr einzugehen. Eine geeignete Elektrode kann bei gleicher Oberfläche eine Pseudokapazität besitzen, die etwa hundertmal so groß ist wie die Doppelschichtkapazität.

Aus den Elektroden ergeben sich drei Familien: Doppelschichtkondensatoren besitzen meist Kohlenstoffelektroden mit überwiegend statischer Doppelschichtkapazität und nur geringem Anteil an Pseudokapazität. Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder leitfähigen Polymeren und haben einen hohen Anteil an faradayscher Pseudokapazität. Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit hoher Doppelschichtkapazität und eine mit hoher Pseudokapazität; dazu gehören Lithium-Ionen-Kondensatoren.

Aufbau und Materialien

Ein Superkondensator besteht grundsätzlich aus zwei Elektroden, einem Separator, einem Elektrolyten, Kollektoren und einem Gehäuse. Die Elektroden werden mechanisch durch einen porösen Separator getrennt, damit kein Kurzschluss entsteht, bleiben aber über den Elektrolyten elektrisch verbunden. Die Kollektoren leiten den Strom zwischen Anschlüssen und Elektroden. Das Bauelement kann gewickelt oder gestapelt aufgebaut sein und wird mit flüssigem Elektrolyt imprägniert.

Elektroden müssen leitfähig, gut kontaktierbar, chemisch stabil, korrosionsbeständig und temperaturstabil sein. Wichtig ist eine möglichst große Oberfläche bei geringem Volumen oder Gewicht, weil die Elektrodenoberfläche den Kapazitätswert stark bestimmt. Häufig verwendete Kohlenstoffmaterialien sind Aktivkohle, Aktivkohlefaser, Kohlenstoff-Aerogel, carbid-abgeleitete Kohlenstoffe, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren. Aktivkohle ist besonders verbreitet, preiswert, ungiftig und chemisch inert. Sie kann spezifische Oberflächen von etwa 1000 bis 3000 m²/g erreichen; eine Elektrode mit etwa 1000 m²/g ergibt eine typische Doppelschichtkapazität von etwa 10 μF/cm² beziehungsweise 100 F/g.

Für hohe Pseudokapazität werden Übergangsmetalloxide oder leitfähige Polymere eingesetzt. Ruthenium(IV)-oxid mit Schwefelsäure H2SO4 als Elektrolyt erreicht eine spezifische Kapazität von 720 F/g und eine gravimetrische Energiedichte von 26,7 Wh/kg, ist aber teuer. Leitfähige Polymere wie Polypyrrol, Polyanilin, Pentacen oder Polythiophen können etwa 450 F/g erreichen, sind jedoch empfindlich gegen Überspannungen und haben geringere Zyklusfestigkeit.

Der Elektrolyt bestimmt unter anderem Spannungsfenster, Temperaturbereich, Innenwiderstand und Langzeitverhalten. Wässrige Elektrolyte können hohe Leitfähigkeiten von etwa 100 bis 1000 mS/cm erreichen, haben aber geringe Spannungsfestigkeiten von etwa 1,0 V pro Kondensator, jüngere Ergebnisse auch bis 1,6 V. Organische Elektrolyte sind teurer, erreichen typisch 2,7 V pro Kondensator und etwa 10 bis 60 mS/cm. Separatoren müssen dünn, porös und chemisch inert sein. Kollektoren bestehen häufig aus Aluminium und müssen Spitzenströme bis zu 100 A verteilen oder aufnehmen können.

Elektrische Kennwerte

Die Gesamtkapazität eines Superkondensators ergibt sich aus der Reihenschaltung der beiden Elektrodenkapazitäten C1 und C2: Cgesamt = 1 / (1/C1 + 1/C2) = C1 · C2 / (C1 + C2). Bei symmetrischen Elektroden mit C1 = C2 gilt Cgesamt = 0,5 · C1. Bei asymmetrischen Elektroden mit C1 ≫ C2 gilt Cgesamt ≈ C2; die kleinere Elektrodenkapazität bestimmt also den Kondensator.

Die Nennkapazität CN ist der Kapazitätswert, für den der Kondensator gefertigt wird, meist mit einer Toleranz von 20 %. Wegen der zeitabhängigen Bewegung der Ionen in den Poren kann die Kapazität nicht wie bei gewöhnlichen Kondensatoren einfach mit Wechselspannung gemessen werden. Genormt wird sie über einen Lade- und Entladevorgang bestimmt: Der Kondensator wird auf Nennspannung geladen, 30 Minuten gehalten und dann mit definiertem Strom entladen. Aus der Zeit, in der die Spannung von 80 % auf 40 % der Nennspannung fällt, ergibt sich Cgesamt = IEntlade · (t2 − t1) / (U1 − U2).

Die Betriebsspannungen einzelner Superkondensatorzellen liegen nur im Bereich einiger Volt. Standard-Superkondensatoren mit wässrigen Elektrolyten haben meist 2,1 bis 2,3 V, solche mit organischen Lösungsmitteln 2,5 bis 2,7 V, Lithium-Ionen-Kondensatoren etwa 3,8 bis 4 V, wobei eine untere Grenze von etwa 2,2 V nicht unterschritten werden darf. Für höhere Betriebsspannungen werden Zellen in Reihe geschaltet und müssen aktiv oder passiv symmetriert werden.

Der Innenwiderstand Ri begrenzt Lade- und Entladegeschwindigkeit und verursacht Wärmeverluste. Die Zeitkonstante ist τ = Ri · C. Die gespeicherte Maximalenergie ist Wmax = 1/2 · Cmax · Umax²; die nutzbare Energie kann mit Weff = 1/2 · C · (Umax² − Umin²) berechnet werden. Die Energiedichte handelsüblicher Superkondensatoren lag 2013 etwa bei 0,5 bis 15 Wh/kg und damit deutlich unter Akkumulatoren. Ihre Leistungsdichte ist dagegen hoch; die maximale Leistung kann mit Pmax = 1/4 · U²/Ri abgeschätzt werden, für realistischere Power-Anwendungen nennt die Norm Peff ≈ 1/8 · U²/Ri.

Lebensdauer, Vergleich und Normung

Superkondensatoren erreichen eine hohe Strombelastbarkeit, weil ihre Speicherprozesse normalerweise ohne die Erzeugung chemischer Bindungen ablaufen. Dadurch sind sie schneller als Akkumulatoren und besitzen eine sehr hohe Zyklusfestigkeit. Polymerbasierte Pseudokondensatoren erreichen mehr als 10 000 Zyklen, Doppelschichtkondensatoren und Pseudokondensatoren mit Übergangsmetalloxiden mehr als eine Million Zyklen.

Die Lebensdauer hängt vor allem von Betriebsspannung und Temperatur ab. Durch Verdunsten oder Diffusion gasförmiger Bestandteile des Elektrolyten können Kapazität sinken und Innenwiderstand steigen. Nach IEC 62391-2 ist ein Änderungsausfall erreicht, wenn die Kapazität um 30 % gegenüber dem Anfangswert sinkt oder der Innenwiderstand den vierfachen Spezifikationswert überschreitet. Manche Hersteller verwenden für Leistungsanwendungen strengere Grenzen, etwa 20 % Kapazitätsänderung und höchstens Verdopplung des Innenwiderstands. Für viele Baureihen wird die Lebensdauer bei niedrigerer Temperatur mit dem 10-K-Gesetz abgeschätzt: Lx = L0 · 2^((T0 − Tx)/10).

Gegenüber Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben Superkondensatoren längere Lebensdauer, höhere Leistungsdichte, hohe Spitzenstrombelastbarkeit, höhere Zyklusfestigkeit und wartungsfreien Betrieb. Nachteile sind geringere Energiedichte, höherer Preis und stärkere Selbstentladung. In der Vergleichstabelle liegen Superkondensatoren für Leistungsanwendungen bei 100 bis 12 000 F, 4 bis 9 Wh/kg und 3 bis 10 kW/kg; Lithium-Ionen-Akkumulatoren erreichen 100 bis 265 Wh/kg, aber nur 0,3 bis 1,5 kW/kg.

Für Vergleichbarkeit sind Normen wichtig, besonders bei Anwendungen mit hohen Spitzenströmen. Die Fachgrundspezifikation IEC 62391-1 ordnet Anwendungen in Klassen ein: Klasse 1 Datenerhalt von Speichern, Klasse 2 Energiespeicherung, Klasse 3 Leistungsanwendungen und Klasse 4 Momentanleistung. EN 62391-2 behandelt besondere Anforderungen für Leistungsanwendungen. Weitere Normen sind IEC 62576 für Automobilelektronik und IEC 61881-3 für Bahnen.

Anwendungen und Entwicklung

Superkondensatoren werden dort eingesetzt, wo für kurze Zeit viel Leistung oder sehr viele Lade-Entlade-Zyklen benötigt werden. Die Lieferzeit bei konstantem Strom kann mit t = C · (Ugeladen − Umin) / I berechnet werden. Bei konstanter Leistung P gilt t = (1/(2P)) · C · (Ugeladen² − Umin²).

In der Endverbraucherelektronik stabilisieren sie Stromversorgungen in Geräten mit stark schwankender Belastung, etwa Laptops, PDAs, GPS-Geräten, tragbaren DVD-Playern und Smartphones. Sie liefern Stromspitzen in Digitalkameras, ermöglichen schnell ladbare Notfall-LED-Taschenlampen und werden in dynamogespeisten Fahrradlichtern für Standlicht verwendet. In der Industrie dienen sie dem Datenerhalt bei RAM und SRAM, als Puffer in Funk- und Telekommunikationsgeräten und in unterbrechungsfreien Stromversorgungen. In Windkraftanlagen versorgen sie die Pitch-Regelung im Notfall, damit Rotorblätter in Fahnenstellung gedreht werden können.

Ein wichtiges Feld ist Energierückgewinnung. In Fahrzeugen speichern Superkondensatoren Energie aus Nutzbremsung und liefern sie beim Anfahren oder Beschleunigen wieder. Bei Stadt- und Straßenbahnen können sie Bremsenergie zwischenspeichern und kurze oberleitungsfreie Strecken ermöglichen. Das MITRAC-Energy-Saver-System von Bombardier enthielt Speicherblöcke aus 192 Einzelkondensatoren mit je 2700 F bei 2,7 V in drei parallelen Strängen, ergab ein 518-V-System mit 1,5 kWh und konnte kurzzeitig 600 kW liefern. In Bussen wurden Systeme wie der MAN-Ultracapbus, Capabusse in Shanghai und weitere Hybridkonzepte erprobt. Im Motorsport erlaubt KERS die Rückgewinnung von Bremsenergie; in der Formel 1 wurden 2007 200-kW-Hybrid-Antriebe mit Superkondensatoren und Akkumulatoren zugelassen.

Forschung und Neuentwicklungen zielen vor allem auf höhere Energiedichte, geringeren Innenwiderstand, höhere Spannungs- und Temperaturfestigkeit, bessere chemische Stabilität und niedrigere Kosten. 2013 lagen professionelle Superkondensatoren etwa bei 6 Wh/kg, Lithium-Ionen-Kondensatoren bei etwa 15 Wh/kg. Untersucht werden unter anderem Graphen-Elektroden, Kohlenstoffnanoröhren, Kompositelektroden, Nickelhydroxid- und Mangandioxid-Systeme sowie Quanteneffekt-Superkondensatoren. Das Marktvolumen lag 2016 bei etwa 240 Mio. US-Dollar; Prognosen nannten je nach Quelle 2 Milliarden US-Dollar für 2026 oder 3,5 Milliarden US-Dollar für 2020.