Superkondensatoren wurden dem Elektroniker zuerst als Goldcaps geläufig – Kondensatoren, die zwar nur eine geringe Spannung vertrugen, doch ausreichend Kapazität hatten, um Backup-Batterien für RAM-Speicher oder für Echtzeituhren-Chips in Computern zu ersetzen. Auch in LED-Rücklichtern für Fahrräder sorgten sie für Erstaunen, weil diese beim Ampelhalt eine Batterie minutenlang weiterleuchteten. Anfangs war die Stoßbelastbarkeit dieser Bauteile aber noch gering und der Innenwiderstand (ESR, Equivalent Serial Resistance) relativ hoch.

Bild 1: Relativer Größenvergleich eines 1-F-Elektrolytkondensatorsnmit einem 1-F-Superkondensator. DernSupercap ist 13 mm lang und hat 10 mm Durchmesser.n

Bild 1: Relativer Größenvergleich eines 1-F-Elektrolytkondensatorsnmit einem 1-F-Superkondensator. DernSupercap ist 13 mm lang und hat 10 mm Durchmesser.n Powerstor

Heute gibt es Superkondensatoren bis zu 8000 F in Großserie, deren Speicherfähigkeit mit kleinen Akkumulatoren konkurrieren kann. Die Physik der Superkondensatoren ist jedoch eine andere, und damit verhalten sie sich auch elektrisch anders als Akkumulatoren. Zunächst sind Superkondensatoren ganz klar Kondensatoren: Ihre Kapazität wird durch zwei leitende Flächen bestimmt, die sich gegenüberstehen. Je größer die Fläche, je geringer ihr Abstand und je höher die Dielektrizitätszahl des zwischen ihnen befindlichen Dielektrikums, desto höher die Kapazität:

  • C = ε A / d

Dabei ist C = Kapazität, A = Fläche, d = Abstand und ε = Dielektrizitätszahl.

Bild 2: Speicherprinzip des  Doppelschicht-Kondensators.

Bild 2: Speicherprinzip des Doppelschicht-Kondensators. Wikipedia / Elcap

Von klein bis groß

Folglich hat ein Luft- oder Vakuumkondensator einen kleinen Kapazitätswert, da d hoch und ε und A gering sind. Dafür hat er eine hohe Spannungsfestigkeit. Ein Folienkondensator hat hingegen eine deutlich höhere Kapazität, da mehr Fläche und eine höhere Dielektrizitätszahl zur Verfügung stehen und die Folie es erlaubt, den Abstand bei dennoch hoher Spannungsfestigkeit zu minimieren. Keramikkondensatoren besitzen je nach Dielektrizitätszahl des Materials teils noch höhere Kapazitäten mit möglichen Einschränkungen bei Spannungsfestigkeit und Kapazitätskonstanz.

Elektrolytkondensatoren weisen eine noch größere Kapazität auf, weil hier kein mechanisch gefertigtes Dielektrikum Verwendung findet, sondern eine dünne, chemisch erzeugte Oxidschicht. Ist das Grundmaterial sehr rau, steigt die Fläche und damit die Kapazität weiter. Die Spannungsfestigkeit ist geringer und der Kondensator hat eine bauartbestimmte Polarität – bei falscher Behandlung wie Verpolung, Überspannung, Überstrom oder Übertemperatur kann der Kondensator schnell ausfallen.

Bild 3: Das Dimensionieren von Superkondensator-Arrays lässt sich auch mit einem Spreadsheet berechnen.

Bild 3: Das Dimensionieren von Superkondensator-Arrays lässt sich auch mit einem Spreadsheet berechnen. Wikipedia / Elcap

Superkondensatoren sind Doppelschichtkondensatoren, deren Prinzip, die Helmholtz-Doppelschichten, schon seit über 130 Jahren bekannt sind. Diese sind nur wenige Molekülschichten im Nanometerbereich dick, woraus sich eine weitere Kapazitätserhöhung gegenüber dem Elektrolytkondensator bis zum Faktor 10.000 ergibt – sowie eine geringe Spannungsfestigkeit, die für einzelne Zellen in der heute üblichen Technologie unter 3 V liegt. Für höhere Spannungen lassen sich die Zellen, wie bei Batterien, in Reihe schalten. Bei mehr als zwei Zellen, die 5 bis 5,5 V zulässige Betriebsspannung erreichen, sind üblicherweise Maßnahmen zur gleichmäßigen Spannungsaufteilung erforderlich.

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