Doppelschichtkondensatoren

Doppelschichtkondensatoren (DSK, Superkondensatoren, Supercaps, Ultracaps, etc.) sind effiziente Energiespeicher, die elektrische Energie schnell speichern und wieder abgeben können. Sie eignen sich deshalb für die kurzfristige Überbrückung von Stromausfällen (< 1 Min) und das Abdecken von Lastspitzen.

Der Doppelschichtkondensator nutzt den von Helmholtz bereits 1856 beschriebenen Effekt der Ausbildung einer Doppelschicht beim Anlegen einer Spannung an in eine leitende Flüssigkeit getauchten Elektroden. Daher werden diese Kondensatoren auch als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Im ungeladenen Zustand verteilen sich die geladenen Teilchen (Ionen) gleichmäßig in der leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten, der sich zwischen den Elektroden befindet. Beim Anlegen einer Spannung wandern die negativen Ionen im Elektrolyten an die positive Elektrode und entsprechend die positiven Ionen an die negative Elektrode.

Funktionsprinzip Doppelschichtkondensator

Es bildet sich an beiden Elektroden eine Doppelschicht mit spiegelbildlicher Ladungsverteilung aus. Die nutzbare Spannung wird durch die Dissoziationsspannung begrenzt, bei der Ladungen von den Elektroden zu den angelagerten Ionen übertreten können. Oberhalb dieser Spannung werden dann chemische Reaktionen gestartet, die zu Gasbildung führen und damit den Kondensator zerstören. Bei wässerigen Elektrolyten liegt diese Spannungsgrenze bei 1,2 V und bei nicht wässerigen Elektrolyten auf der Basis organischer Lösungsmittel bei 2 bis 3 V. Bei diesem Kondensatortyp beträgt die Dielektrikumsdicke nur einige Nanometer und wird weitestgehend vom Ionenradius bestimmt. Als Folge können sehr hohe Kapazitätsdichten erzielt werden; allerdings nur bei relativ niedrigen Spannungen.

Im Vergleich zu Akkumulatoren bieten Doppelschichtkondensatoren einen wesentlich geringeren Innenwiderstand (Ri ca. 1mOhm) und damit sehr hohe Entladeströme (Leistungsdichte). Die Energiedichte der Doppelschichtkondensatoren liegt deutlich unter der von Batterien und Akkumulatoren. Das Laden der Doppelschichtkondensatoren ist genauso schnell wie das Entladen in nur wenigen Sekunden möglich, auch eine aufwendige Ladeüberwachung wie bei Akkumulatoren ist nicht notwendig. Die Doppelschichtkondensatoren erlauben heute bereits bis zu 500.000 Ladezyklen und eine Lebensdauer von 20 Jahren.

Leistungsdichte und Energiedichte (Vergleich Batterie und Ultracap)

Lade-, Entladekurve und Ri (Vergleich Batterie und Ultracap)

Anwendungen

Ultracaps eignen sich für zwei Typen von Anwendungen. Zum einen für Backup Power Anwendungen wo es um die Überbrückung kurzer Stromunterbrechnungen (Sekunden) bzw. die Kompensation von Spannungseinbrüchen geht. Anwendungen in diesem Bereich sind USV (Unterbrechnungsfreie Stromversorgung) etc. Der zweite Anwendungsbreich zielt auf das Abdecken von Lastspitzen (Peak Power). Überall dort wo kurze Leistungsspitzen abzudecken sind bieten die Ultracaps vielfältige Anwendungen. Ein Beispiel ist der Startergenerator im Fahrzeug, hier kann durch die Kombination von Akkumulator und Ultracap das Startverhalten insbesondere bei tiefen Temperaturen deutlich verbessert werden.