Superkondensatoren

Viele Farad mit Doppelschicht

Superkondensatoren beginnen da, wo normale Kondensatoren und Elkos aufhören: bei Kapazitäten, die sich an ein Farad annähern. Sie erreichen bis zu einigen tausend Farad. Doch ihre Funktion ist etwas anders: Sie sind weniger Filterelement denn Energiespeicher. Applikationen wie mobile Stromversorgungen und USV-Lösungen haben besondere Ansprüche. Diesen können Superkondensatoren hervorragend nachkommen.

Superkondensatoren sind Doppelschichtkondensatoren

Hohe Kapazität und lange Lebensdauer durch Doppelschicht

Superkondensatoren 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 und sie sind wesentlich schneller möglich.

Die hohe Kapazität des Superkondensators entsteht dadurch, dass statt glatter oder angerauter Folien poröses Aktivkohlematerial etwa 2000 qm Elektrodenfläche pro Gramm erzeugt und die Dicke bzw. genauer Dünne des Dielektrikums durch die Ionentrennung bestimmt wird, welche eine bzw. genauer zwei isolierende Schichten unter 1 µm) erzeugt – Superkondensatoren werden deshalb auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet.

So ergibt sich zwar auch eine maximale Betriebsspannung von nur wenigen Volt für einzelne Zellen, doch können Superkondensator-Module über Serienschaltung von Zellen Hunderte von Volt Betriebsspannung bei immer noch zwei- bis dreistelligen Farad-Zahlen erreichen.

Mit einer Li-Ionen-Kathode sind auch Hybridkondensatoren möglich, die dann nicht mehr auf 0 entladen werden dürfen, dafür aber eine etwa 10fache Kapazität bei gleicher Baugröße ermöglichen.

Vorzüge der Superkondensator-Technik

  • Geringe Ladeverluste: Während Akkumulatoren teils bis zu 30% Ladeverluste haben, die zur Erwärmung führen, sind diese bei Superkondensatoren minimal
     
  • Hohe Lade- und Entladeströme zulässig: Dank geringer Innenwiderstände ist Auf- und Entladen in Sekunden möglich
     
  • Weiter Bereich zulässiger Betriebstemperaturen: -40...+85 °C sind möglich, womit auch bei Kälte oder Hitze Kapazität zur Verfügung steht
     
  • Bis zu 20 Jahre typische Lebensdauer: Superkondensatoren sind Energiespeicher ohne bewegliche Teile und chemische Prozesse. Damit sind Millionen Lade- und Entladezyklen auch über Jahrzehnte kein Problem.

Einzelzellen oder Module?

Einzelne Superkondensatoren haben Zellenspannungen von 2,5 bis 3,0 V und Kapazitäten bis 5000 F.

Fertig zusammengestellte Superkondensator-Module können noch höhere Kapazitäten haben und höhere Spannungen verarbeiten, beginnend bei 3,8, 50, 5,5 oder 6,0 V, weiter mit Standardspannungen wie 16, 24, 48 oder 160 V und endend bei mehreren  100 V.

Das nebenstehende Modul bietet beispielsweise 259 V bei über 4 Farad.

Viele Module können in Serie geschaltet werden, um teilweise bis über 1000V Systemspannung zu ermöglichen. Diese skalierbaren Lösungen sind dann ideal für zyklische Anwendungen mit Spitzenlasten im Megawatt-Bereich, wo klassische Elkospeicher aufgrund der geringen gespeicherten Energien nicht rentabel sind.

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