Superkondensatoren – Gerät, praktische Anwendung, Vor- und Nachteile

Was ist ein Superkondensator?

Superkondensatoren oder Superkondensatoren ähneln gewöhnlichen Elektrolytkondensatoren, unterscheiden sich jedoch von diesen durch eine wesentlich höhere elektrische Kapazität (extrem große Kondensatoren). Von seinen Eigenschaften her ist ein Ionistor eine Kreuzung zwischen einer Batterie und einem Kondensator. Sein Gerät kann als Kondensator mit einer elektrischen Doppelschicht beschrieben werden. Nicht umsonst werden Superkondensatoren in englischen Quellen als EDLC – Electric Double Layer Capacitor bezeichnet.

Ein solcher Kondensator funktioniert dank der in ihm ablaufenden elektrochemischen Prozesse und nicht einfach aufgrund des im Dielektrikum zwischen den Platten gespeicherten elektrischen Feldes wie bei einem herkömmlichen Kondensator. Zwischen den Platten gibt es keine klassische dielektrische Schicht, und die Platten selbst bestehen aus Substanzen mit unterschiedlichen Ladungsträgern des entgegengesetzten Typs.

In dem Maße, dass Kapazität des Kondensators ist direkt proportional zur Fläche seiner Platten; Um eine große Kapazität zu erreichen, ist eine große Plattenfläche erforderlich. Aus diesem Grund bestehen die Elektroden des Superkondensators normalerweise aus geschäumtem Kohlenstoff, was eine sehr große Fläche an „Platten“ ergibt.

Die Elektroden sind durch einen Separator getrennt und befinden sich in einem festen sauren oder alkalischen Elektrolyten. Der Separator verhindert einen Kurzschluss zwischen den Elektroden. Der kristalline Elektrolyt aus Rubidium, Silber und Jod ermöglicht die Herstellung von Ionistoren mit hoher Kapazität, geringer Selbstentladung und Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen.

Superkondensatoren mit geringem Innenwiderstand werden beispielsweise auf Basis von Schwefelsäurelösungen gewonnen, allerdings ist die Betriebsspannung solcher Superkondensatoren auf 1 Volt begrenzt, außerdem sind solche Lösungen giftig und werden daher selten verwendet.

Eine elektrochemische Reaktion im Superkondensator führt dazu, dass ein Teil der Elektronen die Elektroden verlässt, wodurch die Elektroden positiv aufgeladen werden. Negative Ionen werden vom Elektrolyten zu den positiv geladenen Elektroden angezogen. Dadurch entsteht eine elektrische Schicht.

Dadurch wird die Ladung des Superkondensators an der Grenzfläche zwischen Kohlenstoff und Elektrolyt gespeichert und die Dicke der durch Kationen und Anionen gebildeten elektrischen Schicht beträgt nur 1–5 nm, was einem sehr geringen Abstand zwischen den Kondensatorplatten entspricht . Dies führt zu einer erheblichen Kapazität, gemessen in Farad. Der Superkondensator ist polar, daher muss beim Anschluss an den Stromkreis auf die richtige Polarität geachtet werden.

Anwendung von Superkondensatoren

Heutzutage werden Superkondensatoren in der Digitaltechnik häufig als Notstromversorgung für Mikrocontroller, Speicherschaltkreise, CMOS-Chips, elektronische Uhren und mehr verwendet.

In Verbindung mit Batterien können Superkondensatoren auch die Effizienz steigern und eine Gewichts- und Größenreduzierung der Batterien ermöglichen, sodass bei Spitzenlasten zusätzliche Leistung bereitgestellt wird.

Da Superkondensatoren eine Zwischenposition zwischen Kondensatoren und Batterien einnehmen, sind sie in verschiedenen Bereichen einsetzbar: Energiespeicherung in regenerativen Bremssystemen, Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und Schnellladeanwendungen (Blitz, Player, Speicher usw.).

In der Zukunft dürften tragbare elektronische Geräte, Elektroautos und alles, was heute mit Batterien betrieben wird, den Vorteil haben, dass sie in wenigen Minuten aufgeladen werden können. Superkondensatoren sind auch dann unverzichtbar, wenn bei kurzfristigem Stromverbrauch eine große Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen erforderlich ist.

Wir listen nur einige der Bereiche auf, in denen Superkondensatoren heute erfolgreich eingesetzt werden:

• Windenergie,
• medizinische Ausrüstung,
• redundante Stromversorgung,
• Energiereserve,
• Bremsenergierückgewinnung,
• Lebensmittel für Unterhaltungselektronik und Küchengeräte,
• Stromversorgung von LEDs und Sensoren,
• Backup-Speicher,
• Aufrechterhaltung der Stromversorgung elektronischer Schlösser,
• Spannungsstabilisierung.

Vorteile und Nachteile

Zu den Nachteilen von Superkondensatoren zählen eine niedrige Betriebsspannung (bis zu 2,7 Volt pro Zelle, was dazu führt, dass Superkondensatoren in Batterien untergebracht werden müssen) und ein im Vergleich zu Batterien und Kondensatoren recht hoher Preis.

Positive Eigenschaften von Superkondensatoren: Lade- und Entladegeschwindigkeit, Hunderttausende Zyklen, Wartungsfreiheit, geringe Größe und geringes Gewicht, einfache Handhabung, großer Betriebstemperaturbereich, lange Lebensdauer.

Siehe auch: Was ist der Unterschied zwischen Batterien und Kondensatoren?