Backup-Stromversorgungen von IoT-Geräten mit Superkondensatoren

Mit Leistungsmerkmalen wie etwa einer hohen Zahl schneller Lade- und Entladezyklen können kleinzellige Superkondensatoren Batterien aus Backup-Stromversorgungen in IoT-Geräten, Automobilelektronik sowie Industrierechnern verdrängen. Zu den typischen Anwendungen zählt das Aufrechterhalten der Echtzeituhr (Real Time Clock, RTC) oder des flüchtigen Speichers eines Systems, wenn die Stromversorgung ausfällt, beispielsweise während eines Stromausfalls oder wenn Techniker die Batterie des Hauptsystems im Rahmen eines Tausches entfernen.

Mit einem Superkondensator erübrigen sich die Einschränkungen, die sich aus der sonst begrenzten Batterielebensdauer ergeben. Auch der Batteriehalter auf der Leiterplatten-Stückliste ist nicht mehr nötig, da sich Superkondensatoren über eine kleine, gelötete Vorrichtung befestigen lassen. Herausforderungen in der Fertigung entfallen ebenso. Dazu zählt etwa die Überwachung der Lagerungsdauer von Batterien oder das Einlegen der Batterien vor dem Versand. Der harmlose Leerlauf-Ausfallmodus des Superkondensators steht im Gegensatz zu den Batterieausfällen durch Kurzschlüsse, die zum Ausgasen oder Entzünden der Batterie führen können.

Superkondensatoren mit Kapazitätswerten von bis zu 5 F sind eine kostengünstige Alternative zu kleinen Backup-Batterien. Sie können genug Energie speichern, um je nach Last und Strombedarf Zeiträume von einigen Sekunden bis hin zu mehreren Tagen zu überbrücken.

Bild 1: Kleinzelliger Superkondensator mit wässrigem Elektrolyt Kemet

Ein Blick ins Innenleben

Der Superkondensator, der auch als elektrischer Doppelschichtkondensator (electric double-layer capacitor, EDLC) bekannt ist, besteht aus zwei Elektroden. Diese sind in einem porösen Material eingebettet, das auf Kohlenstoff basiert und durch einen Elektrolyt getrennt ist, der selbst wiederum durch eine Membran geteilt ist.

Im Gegensatz zu einer Batterie speichert der Superkondensator Energie durch physikalische Anreicherungen (Adsorption) von Ionen im Elektrolyt, der zwischen den Elektroden enthalten ist. Die Energieabgabe erfolgt wiederum durch die Desorption dieser Ionen. Diese Prozesse sind schneller als die chemischen Reaktionen beim Aufladen einer Batterie. Aufgrund des geringen Innenwiderstands des Superkondensators lässt sich der Baustein innerhalb weniger Sekunden vollständig laden, während eine Sekundärzelle zur vollständigen Aufladung zehn Minuten bis mehrere Stunden benötigt. Darüber hinaus gibt es keine theoretische Grenze für die Lebensdauer, während eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle eine Lebensdauer von etwa 500 Zyklen aufweist.

Heutige Fortschritte bei kohlenstoffbasierenden Materialien ermöglichen poröse Elektroden mit großer Oberfläche, was zu einem hohen Kapazitätswert bei kleinen äußeren Abmessungen führt.

Bild 2: Kleinzelliger Superkondensator mit wässrigem Elektrolyt in einem robusten Kunststoffgehäuse Kemet

Elektrolyt nimmt erheblichen Einfluss auf die Kondensatoreigenschaften und ist entweder eine organische Verbindung oder eine wässrige Lösung. Wässrige Elektrolyte sind hochleitfähig, haben nur geringe Auswirkungen auf die Umwelt und sind nicht brennbar, was zu hoher Leistungsfähigkeit und Sicherheit beiträgt. Im Vergleich zu organischen Verbindungen sind sie beständiger gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme, was zu einer längeren Lebensdauer mit höherer Stabilität führt. Bei allen Superkondensatorarten bestimmen die Elektrolyteigenschaften die Gesamtklemmenspannung. Diese beträgt bei voller Ladung meist weniger als 3 V.

Ein gängiger Ansatz zum Aufbau kleinzelliger Superkondensatoren ist vergleichbar mit dem einer Knopfzelle. Diese Zellen bestehen aus einem unteren sowie einem oberen Metallgehäuse, die miteinander verpresst sind und so die Kohlenstoffelektroden sowie das organische Elektrolyt einschließen.

Eine integrierte Dichtung soll dafür sorgen, dass der Elektrolyt nicht austritt, trotzdem kann er innerhalb kurzer Zeit austrocken. Daneben kann ein Temperaturschock die bauliche Unversehrtheit beeinträchtigen.

Keine gewöhnlichen Superkondensatoren

Die kleinzelligen Superkondensatoren von Kemet verfügen über eine hochfeste, vulkanisierte Gummibindung, die verhindern soll, dass Flüssigkeit austritt. Der Querschnitt in Bild 1 zeigt den Aufbau dieser Superkondensatoren einschließlich des wässrigen Elektrolyten, der gummierten Elektroden und der Trennmembran.

Um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen, die höher als die Basisspannung einer einzelnen Zelle ist, werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet. Bei Superkondensatoren in Münzform stapeln die Hersteller sie oft in einer externen Dose oder in einer Röhre aus wärmeschrumpfendem Material. Die Elektroden sind dabei an der oberen und unteren Seite angebracht.

Superkondensatoren mit wässrigem Elektrolyt lassen sich stapeln, um höhere Spannungswerte bei kleineren Gehäusegrößen zu erreichen. Das hat auch den zusätzlichen Vorteil einer fest verbundenen Dichtung zum Schutz vor Temperaturschock und mechanischen Stößen. Robuste Supercaps decken einen Betriebsspannungsbereich von 3,5 bis 12 V ab. Bild 2 bildet ab, wie eine solche Mehrzellenstruktur in einem aus Harz geformten Gehäuse eingeschlossen ist. Alternativ kann das Außengehäuse eine versiegelte Metalldose sein, und die Anschlüsse können entweder durchgehend (Through-Hole) oder oberflächenmontiert (SMD) sein.

Bild 3: Vergleich der ESR-Stabilität bei steigender Temperatur Kemet

Einsatz in realen Anwendungen

Neben besonderen Fähigkeiten weist ein Superkondensator aber auch Schwachstellen auf. So ist zum Laden ein Strom oberhalb eines Mindestwerts erforderlich (Absorptionsstrom). Ebenso wie herkömmliche Kondensatoren sind Supercaps aufgrund von Umwelteinflüssen und Alterung anfällig für Leckströme und parametrische Veränderungen.

Der Absorptionsstrom, der während des Ladens auftritt, resultiert aus der Umverteilung von Ionen innerhalb des porösen Elektrodenmaterials. An der Oberfläche absorbierte Ionen können mit der Zeit in die Elektrodenstruktur diffundieren, was einen Teil des in die Vorrichtung fließenden Stroms verbraucht. Aus diesem Grund ist ein hoher Anfangsstrom notwendig, um den Superkondensator weiter aufzuladen. Es kann einige Stunden dauern, bis der Absorptionsstrom auf einen stabilen Leckstrom in der Größenordnung von einigen Mikroampere abgesunken ist.

Parametrische Änderungen können als Folge von Umgebungsbedingungen wie hoher Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit sowie Alterung auftreten. Supercaps mit wässrigem Elektrolyt sind im Vergleich zu Alternativen mit einem organischen Elektrolyt besser in der Lage, hohen Temperaturen und Feuchtigkeit standzuhalten, ohne auszutrocknen oder Feuchtigkeit zu absorbieren. Daher bieten sie eine höhere Stabilität. Bild 3 vergleicht die Verschiebung des äquivalenten Serienwiderstandes (ESR) für Kondensatoren mit wässrigem und organischem Elektrolyt bei steigenden Temperaturen. Kondensatoren mit wässrigem Elektrolyt weisen dabei eine höhere Temperaturstabilität auf.

Fazit

Superkondensatoren sind eine leistungsstarke Alternative zu Batterien in zahlreichen Notstrom-Anwendungen. Sie bieten eine weitaus höhere Lebensdauer und vermeiden, dass Entwickler sich Gedanken über den Austausch oder das Aufladen von Batterien machen müssen.

(prm)