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.

Eckdaten

Verbesserungen bei den Elektrodenmaterialien und der Zusammensetzung des Elektrolyten machen es möglich, mehr Energie zu speichern und die Superkondensatoren leichter zu stapeln, um so die erforderliche Ausgangsspannung bereitzustellen. Die neuesten Superkondensatoren mit wässrigem Elektrolyt befinden sich in Anwendungen zum Aufrechterhalten der Echtzeituhr oder des flüchtigen Speichers in den Bereichen Energieversorgung, Sicherheit, Automotive und Medizintechnik auf dem Vormarsch.

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.

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.

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.

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