Welche Kondensatoren sich für die Energiespeicherung eignen

Energiespeicher sind aus unserer modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Sei es im Smartphone, im Akkuschrauber oder im Auto – viele elektrische Geräte verfügen über einen eigenen Energiespeicher. Kondensatoren jedoch sind jedoch nicht unbedingt die erste Technologie, an die Entwickler bei ihrem Design denken, wenn es um die Speicherung großer Energiemengen geht. Das Ragone-Diagramm (Bild 1) zeigt die Leistungsdichte verschiedener Speicher für elektrische Energie bezogen auf deren Energiedichte. Je nach Anwendung bieten die verfügbaren Speichermedien jeweils eine passende Lösung.

Die Anodenfolie ist sowohl wertmäßig als auch technisch das maßgebliche Vormaterial eines Aluminium-Elektrolytkondensators. Die zwei Prozessschritte Ätzen und Formieren machen aus einer glatten Folie aus reinem Aluminium das Anodenmaterial. Bild 2 zeigt den Querschnitt von geätzten Hochvolt-Anodenfolien für den Einsatz in Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

Durch die Strategie der vertikalen Integration verfügt Jianghai über eigene Werke zum Ätzen und zur Formierung des Anodenmaterials und kann daher selbst über die Eigenschaften der Folien bestimmen. Durch Verbesserungen am Ätzverfahren entstehen gleichförmigere Poren (Bild 2, rechts), sodass das vorhandene Volumen besser ausgenutzt wird. Dies ermöglicht hohe spezifische Kapazitätswerte und damit kompaktere Kondensatoren. Ein elektrochemisches Verfahren erzeugt die Dielektrikumsschicht auf der Oberfläche der aufgerauten Anodenfolie. Aufbau und Schichtdicke des Dielektrikums sind dabei wesentliche Faktoren für Zuverlässigkeit und elektrische Leistungsfähigkeit der Elektrolytkondensatoren im Betrieb.

Bild 3 zeigt den Schichtaufbau des Dielektrikums im Querschnitt. Auf die Aluminiumfolie (1) folgt zunächst eine Schicht amorphen Aluminiumoxids (2), der sich eine kristalline (3) und schließlich eine hydratisierte Schicht (4) anschließen. Ein Ziel bei der Entwicklung von neuen Anodenfolien ist eine dünnere Hydratschicht bei einer gleichzeitig dickeren amorphen Schicht. Im Ergebnis verfügen die neuartigen Anodenfolien von Jianghai über höhere Stromtragfähigkeiten und geringere ESR-Werte, weshalb sie sich für Anwendungen in der Leistungselektronik eignen.

„Energy-Kondensatoren“ für die Zukunft

Bild 1: Ragone-Diagramm verschiedener Speicher für elektrische Energie. Jianghai Europe Electronic Components

Schon seit den 1950er Jahren lassen sich größere Energiemengen in Doppelschichtkondensatoren (EDLC; Electric Double-Layer Capacitor) speichern. Heute sind Doppelschichtkondensatoren als Supercaps, Ultracaps, Goldcaps und unter vielen weiteren Namen bekannt. Weiterentwickelt erreichen sie Kapazitäten von mehreren hundert Farad und bieten hohe Leistungsdichten (Bild 1). Solche Leistungsdichten allein können jedoch nicht gegen die ebenfalls weiterentwickelten Batterien und Akkumulatoren bestehen.

Eine Technologie mit dem Namen „Energy-Capacitors“ verleiht den Kondensatoren als Energiespeicher neuen Schub. Energy-C basiert auf einer Doppelschicht-Technologie und deren Weiterentwicklung zur Serienreife durch Jianghai. Das Energy-C-Konzept ermöglicht es, einen für die jeweilige Anwendung passenden Energiespeicher auszuwählen. Energy-C nutzt im Grundsatz zwei Kondensatortypen: den klassischen Doppelschichtkondensator und den neuartigen Lithium-Ionen-Kondensator (LiC).

Die Basis beider bildet die EDLC-Technologie, welche entsprechend optimiert mit einer relativ hohen Energiedichte und einer hohen Leistungsdichte besticht (Bild 1). Zwei symmetrische Aktivkohleelektroden tragen dabei jeweils die namensgebende Doppelschicht (Bild 4(a)).

Die zweite Technologie mit geänderter Konstruktion ermöglicht eine signifikant höhere Energiedichte. Eine mit Lithium dotierte Graphitelektrode ersetzt eine der beiden symmetrischen Elektroden. Die asymmetrische Konstruktion dieses Lithium-Ionen-Kondensators (LiC) erlaubt weitaus höhere Energiedichten, hat jedoch gegenüber dem EDLC geringere Leistungsdichten. Beide Konstruktionen besitzen Stärken, mit denen sie sich für unterschiedliche Einsatzgebiete empfehlen.

In Bezug auf die Energie- und Leistungsdichte positioniert sich der Lithium-Ionen-Kondensator (LiC) zwischen dem Doppelschichtkondensator (EDLC) und der Lithium-Ionen-Batterie (LiB) (Bild 1).

Bild 4 zeigt, dass der LiC eine EDLC-Elektrode (Aktivkohle) und eine LiB-Elektrode (dotiertes Graphit) besitzt. Dies hat zur Folge, dass der Lithium-Ionen-Kondensator sich den Akkumulatoren annähert. Dabei bleibt der Vorteil schneller Ladung- und Entladung weitestgehend erhalten. Dies ermöglicht viele Ladezyklen im Minutenbereich. Für noch schnellere Lade- und Entladezyklen ist jedoch der EDLC wiederum die bessere Wahl.

Bild 2: Querschnitt einer geätzten Anodenfolie. Jianghai Europe Electronic Components

Neben den Ladezeiten gibt es weitere Argumente der Energy-Cs, die gegenüber den Akkumulatoren bestechen: Im Bereich Zyklenfestigkeit und Lebensdauer sind die Energy-Cs den Akkumulatoren weit voraus. Spricht man bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren von knapp tausend Zyklen, so kommen die LiC auf mehreren zehntausend Zyklen und die Doppelschichtkondensatoren erreichen sogar Werte von vielen hunderttausend Zyklen.

Die spezielle Konstruktion und Materialkombination des Lithium-Ionen-Kondensators sorgt für Stabilität und Ladungserhalt auch bei hohen Temperaturen. Bleiben sowohl Akkumulatoren und LiC bei Raumtemperatur noch stabil und entladen sich über 2500 h weniger als fünf Prozent, verliert ein EDLC schon mehr als 30 Prozent der Ladung nach 2000 h. Bei 60 °C erhöht sich der Entladung erheblich durch die beschleunigten chemischen Reaktionen zwischen Elektrolyten und Elektrodenmaterial. Die Folge dieser chemischen Reaktionen ist ein erhöhter Leckstrom und dieser führt zum Ladungsverlust bei Akkumulatoren und EDLCs gleichermaßen. Während die Leckströme des Li-C weiterhin gering ausfallen, verliert nun auch der Lithium-Ionen-Akkumulator nach 2500 h bis zu 30 Prozent seiner Ladung. Bei den EDLCs erfolgt dies bereits nach 500 Stunden. Bei Anwendungen des Energy-Harvesting bietet der Li-C hier deutliche Vorteile.

Dotierung soll Sicherheit und Zuverlässigkeit bieten

Bild 3: Schichtaufbau des Aluminiumoxid-Dielektrikums eines Hochvolt-Elkos (links: Elektronenmikroskop-Aufnahme, rechts: schematische Darstellung). Jianghai Europe Electronic Components

Beim Thema Sicherheit und Zuverlässigkeit kann der LiC ebenfalls punkten: Er ist genauso sicher wie ein EDLC, bedingt durch das spezielle Verfahren, welches die Lithium-Ionen fest in den Molekularverband der Kohlenstoffstruktur einbettet („Dotierung“). Anders als bei Lithium-Akkumulatoren brauchen keine aufwendigen Konstruktionen eingesetzt werden, um die Gefahr eines thermischen Davondriftens mit Brandgefahr zu reduzieren. Durch die Dotierung gibt es im Kondensator weder metallisches Lithium noch Lithiumoxid. Das Dotierungs-Verfahren ermöglicht somit, dass sich der Kondensator selbst bei mechanischer Beschädigung, hoher Temperatur, Über- oder Tiefentladung stets in einem sicheren Zustand befindet. Die Produktion eines LiC benötigt weniger als drei Prozent der Lithiummenge einer LiB gleichen Volumens. Neben dem Aspekt des effizienten Ressourceneinsatzes ergibt sich ein geringeres Gewicht bzw. eine kleine Bauform als schöner Nebeneffekt.

Insgesamt bietet die LiC-Technologie als Teil des Energy-C-Konzepts von Jianghai viele Vorteile. Doch in dieser Technologie steckt noch weiteres Potenzial. Zukünftig sollen Energiedichten von 80 Wh/kg und Leistungsdichten von mehr als 30 kW/kg erreicht werden. Hier forscht Jianghai an neuen Elektrodenmaterialen, welche die Leitfähigkeit weiter steigern sollen. Optimierte Elektrolyte erweitern zudem den Temperaturbereich des Bauteils bzw. steigern die Temperaturstabilität.

Bild 4: Elektrodenaufbau der drei Technologien EDLC (a), LiC (b) und LiB (c). Jianghai Europe Electronic Components

Das Ragone-Diagramm (Bild 1) deutet bereits an, dass der Lithium-Ionen-Kondensator einen neuen Bereich für Anwendungen erschließt, die zuvor weder Akkumulatoren noch alle anderen Kondensatoren abdeckten. Das Energy-C-Konzept als Ganzes stellt damit eine neue Technologie dar für vorhandene und zukünftige Applikationen der Energiespeicherung. Bleibt noch der Hinweis, dass die beschriebenen Kondensatoren heute bei Jianghai bereits in Serie gefertigt werden und sich schon unter Realbedingungen bewähren.

(prm)