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Bild 1. Leistungsvergleich zwischen Murata-Superkondensatoren und verschiedenen Akkumulatortechnologien. (Bild: Murata)

Innerhalb weniger Jahre sind Geräte, die bisher keinerlei Elektronik beherbergten (von Funktionen zur Informationsverarbeitung ganz zu schweigen), immer intelligenter und zu Bestandteilen des Internet of Things (IoT) geworden. Um die Vorteile des IoT in vollem Umfang ausschöpfen zu können, wurden Performance und Funktionalität der intelligenten Geräte exponentiell erhöht.

Vermehrte Funktionalität zieht allerdings mehr Komplexität nach sich und führt damit zwangsläufig zu einem erhöhten Stromverbrauch. Die Ingenieure haben zwar große Anstrengungen unternommen, um die Leistungsaufnahme der Geräte zu minimieren – unter anderem mit dynamischen Betriebsarten, indem Geräte bei geringen Verarbeitungsanforderungen in einen Schlafmodus versetzt werden. Bestimmte Funktionen wie zum Beispiel drahtlose Kommunikationsfunktionen oder ein LED-Blitz benötigen aber dennoch hohe Leistungsspitzen. Auch Geräte mit kleinen Motoren, Smart Meter und Audioverstärker sind Beispiele für Anwendungen, die kurze Leistungsspitzen unterstützen müssen, ohne dass dies die Abmessungen oder die Kosten nennenswert in die Höhe treiben darf.

Mit Bedarfsspitzen umgehen

Es wäre ineffizient, den Akkumulator des Geräts für diese kurzzeitigen Leistungsspitzen zu dimensionieren, denn dies würde zu viel Platz beanspruchen und übermäßige Kosten verursachen. Deshalb ist eine andere Möglichkeit gefragt, mit diesen Bedarfsspitzen umzugehen, und genau hier kommen die Superkondensatoren ins Spiel.

Eine Lösung waren traditionelle Lithium- oder Alkali-Primärzellen, jedoch stoßen diese Technologien an gewisse Grenzen. Verglichen mit Akkumulatoren bieten Superkondensatoren eine wesentlich höhere Leistungsdichte, zum Beispiel 100.000-mal mehr als eine Li-MnO2-Knopfzelle. Der Superkondensator trägt bei der Bereitstellung relativ hoher Leistungen für lange Zeitspannen spielend den Sieg davon und ist hier um eine ganze Größenordnung besser als der nächstplatzierte Akkumulator (Bild 1).

 

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Bild 2. Gehäusebauformen von Superkondensatoren. Murata

Superkondensatoren werden für verschiedene Einsatzgebiete in unterschiedlichen Formaten angeboten – von der Knopfzellen-Ausführung über zylindrische Versionen bis zu Laminat-Bauarten – und sie sind für verschiedene Spitzenströme erhältlich (Bild 2).

Keine signifikante Belastung

Die besondere Leistungsfähigkeit eines Superkondensators resultiert aus seiner Konstruktion. Im Gegensatz zu anderen Kondensatortypen besitzt er kein Dielektrikum, sondern eine als „Electrical Double Layer“ (EDL) bezeichnete Struktur. Diese Doppelschichtkapazität entsteht durch eine Grenzschicht zwischen pulverförmiger Aktivkohle und einem Elektrolyten. Die Ladungsspeicherung beruht nicht auf einem chemischen Prozess, sondern auf der physischen Verlagerung von Ionen in die Poren der Kohleschichten. Die Poren stellen für das Ansammeln von Ladung eine enorm große Fläche bereit, was bei 5 V Nennspannung Kapazitätswerte von mehr als einem Farad möglich macht. Die effektiven Serienwiderstände (ESR) haben moderate Werte und liegen typisch zwischen 50 und 500 mΩ, sodass die Kondensatoren im Prinzip kurzschlussfest sind. Da Superkondensatoren im Unterschied zu Akkumulatoren nur eine Energiemenge von etwa 10 J speichern, entsteht auch bei Kurzschlüssen keine signifikante Belastung oder Erwärmung des Bauteils.

Hohe Lebensdauer

Ein weiteres Merkmal von Superkondensatoren ist die praktisch unbegrenzte Zahl der Lade- und Entladezyklen, während diese Zahl bei Akkumulatoren endlich ist. Die Lebensdauer ist hoch, wobei die Temperatur und die angelegte Spannung die Alterung beschleunigen. Unter kontrollierten Bedingungen jedoch erreichen die Bauteile ohne weiteres eine Nutzungsdauer von deutlich über fünf Jahren. Etwaigen Bedenken hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme wird durch die Laminatbauform Rechnung getragen, die mit einem Minimum an Harzversiegelung auskommt. Ähnlich wie bei Elektrolytkondensatoren beträgt der Betriebstemperaturbereich von Superkondensatoren -40 bis +70 oder +85 °C, verbunden mit vergleichbaren Schwankungen des ESR bei niedrigen Temperaturen.

Superkondensatoren sind polarisiert und für Nennspannungen bis 5 V erhältlich. Bei den typischen DMT- und DMF-Serien von Murata handelt es sich um zwei in Reihe geschaltete Bauelemente. Höhere Nennspannungen lassen sich problemlos durch Serienschaltung erzielen, wobei passive oder aktive Spannungsausgleichs-Verfahren zur Anwendung kommen. Auch die Parallelschaltung ist einfach, und es sind keine besonderen Vorkehrungen erforderlich, um die Energiespeicherkapazität aufzustocken. Das Laden geht an einer normalen Spannungsquelle so schnell vonstatten wie bei einem Elektrolytkondensator.

Ein signifikanter Pluspunkt ist die äußerst schlanke Bauform der DMT- und DMF-Serien von Murata: Die Dicke von nur 2,2 mm kommt den Anforderungen heutiger elektronischer Geräte im Hosentaschen- und Wearable-Format entgegen.

Portable Geräte werden künftig immer multifunktionaler, kleiner und leichter werden, und die Superkondensatoren von Murata empfehlen sich als komplementäre, wegbereitende Technologie für diese Anwendungen.

 

Kunio Nomura

Product Manager - Capacitors, Murata

(ah)

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