Doppelschicht-Kondensator

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Du hast neue Nachrichten (Unterschied zur vorletzten Version).

Doppelschicht-Kondensatoren aus der MC2600-Serie (2600 Farad) von Maxwell Technologies

Doppelschicht-Kondensatoren, auch elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (engl. electrochemical double layer capacitor - EDLC) oder Superkondensatoren genannt, mit den Markennamen Goldcaps, Supercaps, BoostCaps oder Ultracaps, haben die größte Energiedichte aller Kondensatoren. Ihre hohe Kapazität basiert auf der Dissoziation von Ionen in einem flüssigen Elektrolyt, die ein Dielektrikum von wenigen Atomlagen bilden, und einer großen Elektrodenoberfläche. Sie sind wie Elektrolytkondensatoren polarisiert.

[Bearbeiten] Prinzip

EDLC bestehen aus zwei Elektroden, die von einem Elektrolyten benetzt sind. Beim Anlegen einer Spannung, die kleiner ist als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten, sammeln sich an beiden Elektroden Ionen umgekehrter Polarisation. Sie bilden eine Zone von unbeweglichen Ladungsträgern, deren Schichtdicke nur wenige Moleküllagen beträgt. Diesen Effekt hat Helmholtz bereits 1879 beschrieben.

Die Elektroden mit der Ladungsträgerschicht als Dielektrikum verhalten sich wie zwei Kondensatoren, die über den elektrisch leitenden Elektrolyten in Reihe geschaltet sind. Sie speichern die Energie elektrostatisch; dies im Gegensatz zu elektrochemischen Energiespeichern, den Batterien und Akkus.

Die Kapazität eines Kondensators hängt nicht nur von der Schichtdicke der Isolationsschicht ab, sondern auch von der Größe der Oberfläche der Elektroden. Aktivkohle besitzt eine Oberfläche von bis zu 3.000 m²/g, und Kohlenstoff-Aerogele (CRF) erreichen noch höhere Werte. Zusammen mit den nur wenige Nanometer dicken Grenzschichten erreichen EDLC Kapazitätsdichten von ca. 250 F pro Gramm und mehr.

Der Energieinhalt $W$ des Kondensators mit der Kapazität $C$ ergibt sich nach:

$W=\frac{1}{2}C\cdot U_{Lade}^2$ ,

wobei $U L a d e$ die Ladespannung ist. Dient der Doppelschicht-Kondensator als Energieversorgung, lässt sich bei konstanter Stromentnahme $I$ die Versorgungszeit $t$ durch folgende Gleichung berechnen:

$t=\frac{C\cdot (U_{Lade}-U_{min}) }{I}$ ,

$U m i n$ ist die minimale Betriebsspannung. Wird ein Verbraucher mit konstanter Leistung $P$ betrieben, berechnet sich die Betriebszeit nach:

$t=\frac{1}{2 P} C\cdot(U_{Lade}^2-U_{min}^2)$ .

RAGONE-Diagramm mit der Energiedichte über der Leistungsdichte für verschiedene Energiespeicher [1]

[Bearbeiten] Aufbau

Als Elektrolyt dienen organische Lösungen aus speziellen Salzen (quaternary salts) (Dissoziations-Spannung mehr als 2,5 V) oder wässrige Elektrolyten mit KOH oder Schwefelsäure (H₂SO₄) (Dissoziations-Spannung 1,2 V).

Ein ionendurchlässiger Separator verhindert, dass sich die Elektroden berühren, wenn EDLC wie konventionelle Kondensatoren als Wickel hergestellt werden. Bei organischen Elektrolyten verwendet man Kunststoffe als Trenner, etwa Polypropylen (PP), und bei den wässrigen Elektrolyten Glasfasern oder Keramik.

Die Kapazität handelsüblicher EDLC liegt zur Zeit (2005) bei 5000 Farad bei einer Betriebsspannung von nur 2,5 Volt. Kapazität und Spannungsfestigkeit lassen sich durch Reihen- und Parallelschaltung einzelner Zellen vergrößern; bei Reihenschaltungen tragen Hilfsschaltungen dafür Sorge, dass sich die Zellen gleichmäßig auf- und entladen.

Die Kondensatoren verschiedener Hersteller unterscheiden sich in mehreren Eigenschaften, welche hier exemplarisch für die 5000-Farad-Zelle von EPCOS angegeben werden:

Energiedichte: 4,7 Wh/l bzw. 4,1 Wh/kg
Innenwiderstand: (Equivalent Series Resistance (ESR)), welche den Stromfluss limitiert, 0,18 mΩ
Lebensdauer: 500.000 Ladezyklen oder 90.000 h
Abmaße: 90 mm Durchmesser, 176 mm Höhe, 1,05 kg

[Bearbeiten] Anwendung

Durch die Lebensdauer in Ladezyklen eignen sich Doppelschicht-Kondensatoren zum Ersatz von Akkumulatoren, wenn eine hohe Zuverlässigkeit und ein häufiges Laden und Entladen gefordert ist. Zum Einsatz kommen sie bereits in kleineren Elektrofahrzeugen wie Gabelstaplern und ähnlichen Transportmitteln. Die Kondensatoren können im Vergleich zum Akkumulator deutlich schneller geladen werden und verkürzen somit Totzeiten der Geräte.

Bei Anwendungen, in denen die hohe Energiedichte eines Akkumulators unverzichtbar ist, können die Doppelschichtkondensatoren zwar nicht als Ersatz verwendet werden, aber in Kombination mit Akkumulatoren lassen sich deutliche Gewichtseinsparungen und Verlängerung von Lebensdauern erreichen. Bleiakkumulatoren als Energiequelle zum Anlassen von Verbrennungsmotoren müssen beispielsweise eine sehr viel größere Energie enthalten, als zum mehrfachen Anlassen eines Motors eigentlich notwendig wäre. Schuld daran ist die Eigenschaft, dass der Strom, den Bleiakkumulatoren maximal liefern können, stark vom Ladezustand und der Größe abhängt. Deshalb existiert immer eine nicht nutzbare Kapazität. Werden nun Kondensator und Akkumulator parallel betrieben, liefert der Kondensator den hohen Stoßstrom zum Anlassen und wird danach vom Akkumulator mit einem niedrigeren Strom wieder geladen. Das Gesamtgewicht reduziert sich deutlich und würde daher bei flächendeckendem Einsatz zu einer deutlichen Energieersparnis führen.

[Bearbeiten] Geschichte

Der erste Kondensator mit einer Doppelschicht an porösen Kohlenstoffelektroden wurde 1957 durch General Electric patentiert (Becker, H.I., “Low voltage electrolytic capacitor”, U.S. Patent 2800616 ). Während der genaue Mechanismus zu diesem Zeitpunkt noch nicht klar war, wurde vermutet, das die Energie in Poren der Kohlenstoffelektrode gespeichert wurde, welche "exceptionally high capacitance" aufweisen. Wenig später, 1966, patentierte Standard Oil Company, Cleveland (SOHIO), USA, ein Bauelement, welches Energie in einer Doppelschicht speicherte (Rightmire, R.A., “Electrical energy storage apparatus”, U.S. Patent 3288641).

Aufgrund geringer Verkaufszahlen gab SOHIO 1971 das Produkt auf und lizenzierte die Technik an NEC, welche die Doppelschicht-Kondensatoren unter dem Namen „Supercapacitor“ erfolgreich vermarkteten. Panasonic brachte 1978 den „Gold capacitor“, der nach dem gleichen Prinzip arbeitete, auf den Markt. Diesen Produkten gemeinsam war ein relativ hoher Innenwiderstand, der die Leistungsentnahme beschränkte, so dass sie nur als Pufferbatterie für SRAM zum Datenerhalt o. ä. eingesetzt wurden.

Der erste Doppelschicht-Kondensator mit niederigen Innenwiderstand für Leistungsapplikationen wurde von PRI 1982 entwickelt und unter dem Namen „PRI Ultracapacitor“ am Markt etabliert. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von Herstellern, von denen einige weiter unten aufgeführt sind.

[Bearbeiten] Neuere Entwicklungen

In den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen herrscht weiterhin Hochbetrieb. Das japanisches Unternehmen Power Systems will angeblich bald einen Nanogate-Kondensator mit einer Energiedichte von 40 Wh/kg auf den Markt bringen. Später soll die Energiedichte sogar auf 60 Wh/kg gesteigert werden. Die hohen Energiedichten soll er durch noch größere Oberflächen eines neuen Materiales erhalten. Der Schritt aus dem Labor in die Massenproduktion scheint jedoch noch nicht ganz zu klappen.

Eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology will sogar eine Energiedichte von über 60 Wh/kg mit vertikal angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen erreichen. Die Forschungsgruppe probiert jedoch noch nicht den Sprung auf den Markt.

Dennoch, die Energiedichte von 60 Wh/kg scheint in greifbarer Nähe. Wenn sie tatsächlich erreicht würde, hätte das große wirtschaftliche Auswirkungen.

Als Beispiel nehmen wir mal die Autoindustrie. Ein normales, nicht zu großes Auto benötigt ca. 10 bis 20 kWh elektrische Antriebsenergie pro 100 km Fahrt. Um 10 kWh elektrisch in den heutigen Doppelschicht-Kondensatoren zu speichern, bräuchte man bei 5 Wh/kg ein Kondensator-Gewicht von 2000 kg. Dies ist schlichtweg für ein normales Auto nicht hinnehmbar. Bei 60 Wh/kg sieht das Bild jedoch gleich anders aus: Für 10 kWh benötigt man dann nur noch 166,6 kg.

Die hohe Kapazität würde also Autos ganz ohne Verbrennungsmotor und ohne Brennstoffzelle ermöglichen. Die Energie des Autos könnte vollständig aus dem Kondensator für 100 km Fahrt entnommen werden. Das Auftanken soll ebenfalls innerhalb von ca. 20 Minuten, einfach und kostengünstig an einer etwas größeren Steckdose möglich sein.

Ein Problem dabei bleibt jedoch die relativ hohe Selbstentladung.