Eckdaten

Am Beispiel der Ultrakondensatoren von Maxwell erklärt der Autor in seinem Fachartikel was generell beim Umgang mit Ultrakondensatoren zu beachten ist und was Maxwell anders macht als andere Anbieter.

Ultrakondensatoren beginnen dort, wo normale Kondensatoren und Elkos aufhören: bei Kapazitäten, die sich an ein Farad annähern. Doch ihre Funktion ist etwas anders: Sie sind weniger als Filterelement geeignet, denn als Energiespeicher. Zudem erheben gerade die interessanteren Applikationen wie mobile Stromversorgungen und USV-Lösungen besondere Ansprüche. Diesen können Ultrakondensatoren hervorragend nachkommen.

Bild 1: Aufbau des Dielektrikums eines Ultrakondensators.

Bild 1: Aufbau des Dielektrikums eines Ultrakondensators. Hy-Line Power Components

Bild 2: Kapazitätsverlauf eines älteren Ultrakondensator-Modells bei 65°C Umgebungstemperatur.

Bild 2: Kapazitätsverlauf eines älteren Ultrakondensator-Modells bei 65°C Umgebungstemperatur. Hy-Line Power Components

Kleinere Ultrakondensatoren von unter einem bis zu einigen zehn Farad sind gut geeignet, um flüchtige Speicher in Geräten bei Netzunterbrechungen für einige Tage bis Wochen abzusichern oder kleine Stromverbraucher wie Fahrrad-Rücklichter einige Minuten zu versorgen. Auch als Pufferkondensator für Batterien, Akkus und als Netzstabilisierung sowie anstelle von Batterien beziehungsweise Akkus in Taschenlampen sind Ultrakondensatoren gut geeignet, wenn sie geladen gehalten werden – beispielsweise in Kombination mit einem Handkurbelgenerator. Sie erreichen heute bereits fünf Prozent der Kapazität gleichgroßer Akkus bei weit höheren zulässigen Lade- und Entladeströmen und Lebensdauern.

Verlustarme Energiespeicher

Klassische Ultrakondensatoren speichern Energie wie jeder Kondensator elektrostatisch. Dabei gehen im Kondensator zwar elektrochemische Vorgänge vor sich mit Ionentrennung, doch ohne chemische Reaktionen wie in Akkumulatoren. Damit entfällt der Verschleiß durch die Lade- und Entladevorgänge. Die sogenannten Pseudokondensatoren – diese sind eine Kombination aus Akku/Batterie und Kondensator, nutzen chemische und physikalische Speichertechnologien.

Die meisten Interessenten wollen mit Ultrakondensatoren jedoch tatsächlich Akkus ergänzen oder ganz ersetzen. Dank des praktisch verschleißfreien und schnellen Ladens und Entladens sind sie hier wirklich in ihrem Element. Allerdings sind dafür größere und höhere Zellenkapazitäten im Bereich Hunderter bis Tausender Farad gefragt.

Maxwell, der Marktführer bei Ultrakondensatoren, bietet verschiedene Zellen von 1 bis 3400 F sowie komplette Module von 16 bis 160 V an.

„Isolierschicht“ extrem dünn

Die hohe Kapazität des Ultrakondensators entsteht dadurch, dass statt glatter oder angerauter Folien poröses Aktivkohlematerial etwa 2000 m2 Elektrodenfläche pro Gramm erzeugt und die Dicke beziehungsweise genauer die Dünne des Dielektrikums durch die Ionentrennung bestimmt wird, welche eine beziehungsweise genauer zwei isolierende Schichten unter 10 Angstrom erzeugt – Ultrakondensatoren werden deshalb auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Damit ergibt sich zwar eine maximale Betriebsspannung von nur wenigen Volt für einzelne Zellen, doch können Ultrakondensator-Array-Module über Serienschaltung von Zellen Hunderte von Volt Betriebsspannung bei immer noch zwei- bis dreistelligen Farad-Zahlen erreichen. Aus Sicherheitsgründen – ausreichende Isolation von Zellen und Steckverbindungen gegenüber Masse – erlaubt Maxwell eine Maximalspannung von 750 V.

Von der Konstruktion her sind Maxwell-Ultrakondensatoren symmetrisch aufgebaut. Prinzipiell sollte die Polarität der angelegten Spannung deshalb keine Rolle spielen. Allerdings wird bei der Fertigung eine Polarität beim erstmaligen Aufladen festgelegt und bei dieser sollte der Benutzer später auch bleiben. Wird ein Ultrakondensator später andersherum gepolt betrieben, so ist zwar kein Totalausfall mit Explosion zu befürchten wie bei einem Elektrolytkondensator, doch eine dauerhaft verringerte Lebensdauer und Performance.

Ultrakondensatoren sind relativ temperaturunabhängig, solange die zulässigen Grenzen insbesondere nach oben nicht überschritten werden. Ihre Kapazität bleibt von -40 bis 65 °C praktisch konstant, nur der Innenwiderstand steigt mit sinkenden Temperaturen, doch auch dies vergleichsweise mäßig. Batterien und Akkus werden in der Kälte dagegen meist völlig unbenutzbar.

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