Der Lithium-Ionen-Kondensator als möglicher Speicher der Zukunft

Viele Applikationen benötigen Energiespeicher, die eine mobile Nutzung von Geräten überhaupt erst ermöglichen. Eine weitere Lösung dafür ist der Kondensator. Ein Bauteil, welches Energie speichert, der Batterie bisher oftmals jedoch unterlegen war. Entwicklungen wie die Super- oder Doppelschichtkondensatoren (EDLC) erreichen zwar weitaus höhere Leistungsdichten als Batterien, eignen sich aber als alleinige Stromversorgung nur in Ausnahmefällen.

Lithium-Ionen-Kondensatoren (engl. „Lithium-Ion Capacitor“, kurz „LiC“) vereinen die Vorteile von Superkondensatoren und Batterien. Jianghai Electronics Europe bietet diese Technologie unter dem Konzept Energy-Capacitors, kurz Energy-C in Europa an.

Energiespeicher der Zukunft?

Das Speichervermögen für elektrische Ladungen sowohl im Lithium-Ionen-Kondensator als auch im Doppelschichtkondensator beruht auf der Existenz von zwei Kapazitäten: der elektrostatischen Doppelschichtkapazität und der elektrochemischen Pseudokapazität. Beide zusammen ergeben die Gesamtkapazität der jeweiligen Kondensatortechnologie. Obwohl die Kapazitäten gekoppelt sind, kann zwischen ihren Ladungen unterscheiden werden. Die spezifischen Eigenschaften der Bauteile lassen sich optimieren.

In heutigen EDLCs wird diese Ladungsspeicherung optimal ausgenutzt. Die konstruktive Basis der Kondensatoren besteht aus zwei Aktivkohle-Elektroden, welche auf einer Aluminium Folie, dem Kollektor, aufgebracht wurden. Die Elektroden sind gegen Kurzschluss voneinander durch eine Membran, dem sogenannten Separator, getrennt, welche durchlässig für Ionen ist. Gleichzeitig dient er als Speicher für den flüssigen Elektrolyten. Der flüssige Elektrolyt liefert Ionen als Träger der elektrischen Stromleitung im Kondensator. Wird eine Spannung angelegt, wandern die Ionen im Elektrolyten zur jeweils gegenpoligen Elektrode. Die Ionen sammeln sich an der Phasengrenze (Grenze zwischen flüssigem Elektrolyten und fester Elektrode) und bilden eine Doppelschicht (Bild 1). Die Doppelschicht besteht aus den Ionen im Elektrolyten und einer Schicht aus Gegenionen in der Elektrode. Zwischen den beiden Ladungsträgern bildet sich ein elektrisches Feld aus, welches die Molekülschicht dazwischen polarisiert und voneinander isoliert. Sie weist eine „Ladungstrennende Wirkung“ auf und trennt die beiden Schichten wie das Dielektrikum eines Plattenkondensators. Zusammen mit der Ionenschicht im Elektrolyten werden diese Schichten Doppelschicht genannt (Bild 2). Das Ausbilden der Doppelschicht geschieht sehr schnell, da die Ionen nur adsorbiert werden und keine chemische Bindung eingehen. Das ermöglicht ein besonders schnelles Auf- und Abbauen der Doppelschicht bzw. Laden und Entladen des Kondensators.

Bild 1: Prinzipschema eines Doppelschichtkondensators (Geladen/Entladen). Jianghai

Dabei ist die insgesamt gespeicherte Ladungsmenge der Doppelschicht abhängig von den Ionen im Elektrolyten und den Ionen im Oberflächenbereich der Elektrode und steigt linear mit der angelegten Spannung bis zu einem Grenzwert an.

Weil beim Anlegen einer Spannung jeweils eine Doppelschicht an beiden Elektroden entsteht, entspricht dies einer Reihenschaltung aus zwei Plattenkondensatoren. Die Kapazität bei symmetrisch ausgelegten Elektroden entspricht der Kapazität einer einzelnen Elektrode. Die Kapazität ist proportional zur Fläche der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Platten abhängt. Aktivkohle als Elektrodenmaterial bietet hier den Vorteil einer sehr großen Oberfläche durch ihre hoch poröse Struktur.

Elektrochemische Pseudokapazität

Die Pseudokapazität oder faradaysche Ladung ist fester Bestandteil der Doppelschicht. Sie entsteht, indem Ionen ihre Molekülhülle abstreifen, die trennende Schicht durchdringen und die Elektrodenoberfläche berühren. Über schwache Van-der-Waals-Kräfte bleiben sie auf der Oberfläche haften, dabei findet ein sogenannter Faradayscher Ladungstausch statt, bei dem das adsorbierte Ion Ladung an die Oberflächenionen in der Elektrode abgibt. Dabei werden jedoch keine chemischen Verbindungen mit der Elektrode eingegangen; es findet lediglich ein Elektronentransfer statt. Dieser Vorgang ist zudem reversibel und er wird beim Entladen wieder rückgängig gemacht, wodurch er sich im Grunde unbegrenzt wiederholen ließe. Die mehrstufigen Redoxreaktionen in Akkumulatoren folgen einem ähnlichen Prinzip, unterscheiden sich aber deutlich von dem Ladungsaustausch bei der Pseudokapazität. Mit dem Verlauf von Redoxreaktionen gehen „echte“, d.h. chemische, Bindungen einher. Die Reaktionen sind zwar im Prinzip reversibel, jedoch entstehen im Laufe von vielen Lade- und Entladevorgängen auch chemische Verbindungen, die nicht weiter reagieren können. Dies führt zum Verlust von Kapazität.

Das beim Elektronentransfer abgegebene Elektron wandert über den externen Stromkreis zur gegenüberliegenden Elektrode. Gleichzeitig wandern gleich viele entgegengesetzt geladene Ionen durch den Elektrolyten zur Elektrode welche die Ionen aufnehmen. Beim Entladen wird das Elektron wieder freigegeben. Dieser Elektronenaustausch verläuft sehr schnell, was eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.

Bild 2: Prinzipdarstellung der Doppelschichtkapazität. Jianghai

Beim Speichervermögen zeichnet sich ein deutlicher Unterschied zur Doppelschicht ab. Zwar ergibt sich das Speichervermögen der Pseudokapazität wie auch bei der Doppelschicht aus dem potentialabhängigen Bedeckungsgrad der Elektrodenoberfläche mit adsorbierten Ionen. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass bei allen pseudokapazitiven Reaktionen die Ionen desolvatisiert sind. Sie sind dadurch deutlich kleiner als die umhüllten Ionen der Doppelschicht. Theoretisch kann die Pseudokapazität bei gleicher Elektrodenoberfläche um den Faktor 100 größer sein als die Doppelschichtkapazität. Die Eigenschaft, besonders viel Pseudokapazität zu bilden, ist abhängig vom eingesetzten Elektrodenmaterial. Leitfähige Polymere, die auf die Strukturen von Kohlenstoffelektroden aufgebracht sind, eignen sich ebenfalls für Pseudokondensatoren.

Lithium-Ionen-Kondensator

Lithium-Ionen Kondensatoren vereinen die Vorzüge von EDLC und Batterien: Die hohe Leistungsdichte der EDLC kombiniert mit der hohen Energiedichte von Batterien. Die Konstruktion eines Lithium-Ionen-Kondensators ähnelt dem eines EDLC. Eine der eingesetzten Aktivkohle-Elektroden ist baugleich wie beim Doppelschichtkondensator. Die zweite Elektrode wurde gegen eine stark pseudokapazitive Elektrode ausgetauscht, welche aus einem mit Lithium-Ionen dotierten Graphit besteht. Graphit setzt sich aus geschichtetem Graphen zusammen, das eine Kohlenstoffstruktur besitzt, bei der jedes Kohlenstoffatom an drei andere Kohlenstoffatome gebunden ist, so dass sich ein zweidimensionales Gitter aus sechseckigen Kohlenstoffverbindungen bildet. Jedes dieser Kohlenstoffatome ist mit einem Kohlenstoffatom der benachbarten Schicht verbunden. Durch Dotierung werden gezielt positiv geladene Lithium-Ionen zwischen die Graphitschichten eingefügt, um die elektrische Leitfähigkeit und die Pseudokapazitätsbildung zu erhöhen. So nehmen bei einem Elektronentransfer nicht die herübergewanderten Ionen des Elektrolyten, sondern die Lithium-Ionen die Elektronen auf. Die Dotierung von Lithium-Ionen in das kohlenstoffhaltige Material an der negativen Elektrode senkt ihr Potential ab und bewirkt eine Spannung von mindestens 2,2 V an den Klemmen des ungeladenen Kondensators. Um den Kondensator zu laden, bedarf es einer Spannungsquelle mit einer höheren Spannung als der Klemmenspannung des Kondensators. Beim Ladevorgang wird das Potenzial der negativen Elektrode um 0,5 V abgesenkt und die positive Doppelschichtelektrode mit einer Spannung von bis zu 1,3 V beaufschlagt und es ergeben sich Ausgangspannungen von bis zu 4 V. Da die im Kondensator gespeicherte Energiemenge quadratisch mit der Spannung ansteigt, ist die Ladungsträgerdichte von Lithium-Ionen Kondensatoren mit etwa 4 V mehr als doppelt so hoch als die von Doppelschichtkondensatoren mit 2,7 V.

Applikationen benötigen immer mehr Energie für ihren langfristigen Betrieb. Dies stellt die Anforderungen an Energiespeicher vor neue Herausforderungen. Der Lithium-Ionen Kondensator als Bindeglied zwischen Kondensatoren und Batterien bietet hier einen Lösungsansatz. Er ermöglicht es, die Anforderungen zu erfüllen und neue Applikationen zu ermöglichen, die zuvor nicht realisierbar waren.

Jianghai fertig Lithium-Ionen-Kondensatoren bereits in verschiedenen Bauformen in Serie. Ob klassisch als radialen oder Snap-In Kondensator oder auch als Pouch-Bag bis hin zu großen Modulen. Letztere lassen sich individuell auf verschiedenste Applikationen zuschneiden und vielfach optimieren.

Ein klassisches Beispiel ist die Energierückgewinnung beim Abbremsen einer Last. Bei jedem Abbremsen wird Bremsenergie erzeugt, welche zumeist über einen Bremswiderstand verheizt wird. Die hier entstehenden Ströme sind oft zu hoch für ein konventionelles Batteriesystem und würden seine ohnehin schon begrenzte Lebensdauer weiter reduzieren. Auch die geringe Zyklenfestigkeit spricht gegen den Einsatz von Batteriesystemen zur Energierückgewinnung.

Bild 3: Technologievergleich zwischen EDLC, LiC und LiB. Jianghai

Mit einer Leistungsdichte von bis zu 8,5 kW/kg kann der LiC diese Energie speichern und wieder zur Verfügung stellen. Sicherheit und Zuverlässigkeit sprechen für den Einsatz von LiC auch als Hauptenergiespeicher für Applikationen wie fahrerlose Transportfahrzeuge oder in E-Mobility Anwendungen. In China fahren bereits komplette Busflotten mit diesem Energiespeicher. Die Busse werden mit einem Modul ausgestattet, welches die bestehende Batterie ersetzt. Der Austausch reduziert das Volumen und das Gewicht des gesamten Busses. Dank der geringen Ladezeit des neuen Moduls fällt die reduzierte Reichweite kaum ins Gewicht. Die Ladung erfolgt an den Haltepunkten der Buslinie nach dem Prinzip Charge-and-go. Der Ladevorgang erfolgt in der Zeit, in der die Passagiere den Bus verlassen oder hinzusteigen.

Zusammenfassung

Der Lithium-Ionen-Kondensator als leistungsstarke Variante des Doppelschichtkondensators punktet mit Energiedichten, die zuvor nur Batterien bieten konnten. Der Charakter dieser jungen Technologie besteht darin, Applikationen mit Energie zu versorgen, für die es zuvor keine Lösung gab.

Während die erste Generation des Lithium-Ionen-Kondensators schon ein ausgereiftes Serienprodukt ist, arbeitet Jianghai bereits an der nächsten Generation. Das Ziel der Entwicklung in den kommenden Jahren sind Energiedichten von mehr als 50 Wh/kg und Leistungsdichten im Bereich von 30 kW/kg. Damit qualifiziert sich der Lithium-Ionen Kondensator als Energiespeicher der Zukunft.

(prm)