Verschiedenes

Was ist ein Superkondensator, Superkondensator oder Ultrakondensator?

Was ist ein Superkondensator, Superkondensator oder Ultrakondensator?

Der Superkondensator ist eine spezielle Kondensatorform, die eine außerordentlich hohe Kapazität bietet - manchmal bis zu vielen Farad.

Superkondensatoren können auch als Superkondensatoren, Ultrakondensatoren und einige Typen aufgrund ihrer Struktur als Doppelschichtkondensatoren bekannt sein.

Grundlagen der Superkondensatortechnologie

Die Technologie hinter Superkondensatoren unterscheidet sich von der eines normalen Kondensators. Es muss ein anderer Ansatz gewählt werden, damit die ultrahohen Kapazitätswerte erreicht werden können.

Es gibt verschiedene Arten von Superkapazitäts- oder Ultrakondensatortechnologien, die verwendet werden können, aber die am weitesten verbreitete ist der Doppelschichtkondensator DLC.

Der DLC-Superkondensator verwendet eine Technologie auf Kohlenstoffbasis, die einen organischen Elektrolyten verwendet. Diese Technologie ist einfacher herzustellen als die anderen Typen und hat daher eine breitere Akzeptanz gefunden.

Superkondensatoren haben wie herkömmliche Kondensatoren zwei Metallplatten. Diese Platten sind mit Aktivkohle beschichtet, die ein schwammartiges poröses Material ist. Diese Platten sind in einen Elektrolyten eingetaucht, der positive und negative Ionen enthält. Eine kohlenstoffbeschichtete Platte oder Elektrode ist positiv und die andere ist negativ. Während des Ladens sammeln sich Ionen aus dem Elektrolyten auf der Oberfläche jeder kohlenstoffbeschichteten Platte an.

Während des Ladens haben die Kohlenstoffelektroden zwei Ladungsschichten, die ihre Oberflächen beschichten, und dies führt zu dem Namen Doppelschichtkondensatoren. Der Abstand zwischen den beiden Ladungsschichten an der Elektrode ist außerordentlich klein und dies bedeutet, dass sehr hohe Kapazitätsniveaus erreichbar sind. Da sich an jeder Elektrode Ladungsschichten befinden, besteht ein Superkondensator tatsächlich aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, einer an jeder Elektrode

Es gibt zwei Arten von Doppelschichtkondensatoren, die sich aus unterschiedlichen Ladungsspeichermechanismen ergeben:

  • Elektrischer Doppelschichtkondensator: Ein EDLC speichert Energie in der Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Bei dieser Art von Kondensator ist das Elektrodenmaterial, das für den Aufbau der Zelle für die erstere verwendet wird, hauptsächlich Kohlenstoffmaterial.
  • Elektrochemischer Doppelschichtkondensator oder Super- / Pseudokondensator: Der Superkondensator hält eine faradische Reaktion zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten in einem geeigneten Potentialfenster aufrecht. Bei dieser Art von Superkondensator besteht das Elektrodenmaterial entweder aus Übergangsmetalloxiden oder Gemischen aus Kohlenstoff und Metalloxiden / Polymeren

Für beide Arten von Kondensatoren können die Elektrolyte abhängig von der Art der Konstruktion der Kondensatorzelle entweder wässrig oder nicht wässrig sein.

Aus diesem Grund können Superkondensatoren und Doppelschichtkondensatoren unter verschiedenen Namen getrennt vermarktet werden. Oft haben die Doppelschichtkondensatoren kein ganz so hohes Kapazitätsniveau.

Superkondensatoranwendungen

Die sehr hohe Kapazität von Superkondensatoren macht sie ideal für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, von denen die meisten mit Netzteilen verbunden sind.

Eine der Hauptanwendungen liegt in Überbrückungsversorgungen für Speicher, wo sie es Speichern ermöglichen, die von ihren Versorgungen abhängig sein können, die Daten zu behalten, selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen wird.

Sie werden auch in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) verwendet, in denen sie für kurze Zeit einen hohen Strom liefern können - ausreichend, um das Gerät so lange in Betrieb zu halten, bis der Strom zurückkehrt oder eine Notstromversorgung beginnt.

Superkondensatoren werden zunehmend auch in Fahrzeugen eingesetzt, um die Stromquelle mit Spitzenlast zu verbessern. Sie werden auch in regenerativen Bremssystemen eingesetzt, in denen sie die beim Bremsen zurückgewonnene Energie für die spätere Verwendung speichern.

Vergleich zwischen Superkondensator und Batterie

Der Superkondensator und einige Batterietechnologien konkurrieren um einige Anwendungen. Es lohnt sich, einen Blick auf den Vergleich zwischen einem typischen Superkondensator und einer heute verwendeten Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterietechnologie zu werfen. Für den Vergleich wurde die Lithium-Ionen-Technologie herangezogen, da sie die heute weit verbreitete Batterietechnologie mit der höchsten Dichte ist.

Die durchgeführten Vergleiche dienen nur der ungefähren Bewertung, und jede Entscheidung sollte auf genauen Zahlen beruhen, die von den Herstellern für die in Betracht gezogenen Geräte erhalten wurden, da die Technologie in beiden Bereichen rasch voranschreitet.

Vergleich zwischen Superkondensator und Lithium-Ionen-Batterie
ParameterSuperkondensatorLithium-Ionen
Zellenspannung2,3 - 2,7 V.3,6V
Aufladezeit1 - 10 Sekunden10 - 60 Minuten
Lebensdauer (Lade- / Entladezyklen)~ 1 Million500 - 3000
Spezifische Energie (Wh / kg)~5100 - 200
Spezifische Leistung (W / kg)bis zu 10 0001000 - 3000
Wartung der AusgangsspannungArmGut
SicherheitRelativ sicher bei MissbrauchWeniger sicher und in seltenen Fällen explodierend
Kosten pro Wh~ 20 Einheiten~ 1 Einheit
Lebensdauer~ 10 Jahre~ 5 Jahre
Betriebstemperaturbereich~ -40 bis + 65 ° C.~ 0 bis + 40 ° C.

Supercaps-Einschränkungen

Der Superkondensator oder Ultrakondensator wird häufig für viele Anwendungen verwendet, und die Komponenten sind bei vielen Lieferanten und Händlern erhältlich. Es gibt jedoch einige Punkte, die beachtet werden sollten, wenn überlegt wird, einen in ein neues Design aufzunehmen:

  • Maximale Spannung: Es gibt eine maximale Spannung für Ultrakondensatoren. Andere Arten von Kondensatoren können für den Betrieb bei hohen Spannungen hergestellt werden, Superkondensatoren sind jedoch im Allgemeinen auf Betriebsspannungen im Bereich von 2,5 bis 2,7 V beschränkt. Es ist möglich, sie für einen Betrieb über 2,8 V herzustellen, es wird jedoch festgestellt, dass die Lebensdauer verringert ist.
  • Serienbetrieb: Um höhere Betriebsspannungen für Superkondensatoren zu erreichen, können diese in Reihe geschaltet werden. Dies reduziert die Gesamtkapazität, wie dies bei in Reihe geschalteten Kondensatoren der Fall ist. Auch wenn mehr als drei Kondensatoren in Reihe geschaltet werden müssen, müssen Spannungsausgleichstechniken implementiert werden. Da die Leckströme durch die Kondensatoren wahrscheinlich unterschiedlich sind, ist die auf die Kondensatoren verteilte Spannung nicht gleich und einer oder mehrere können in eine Überspannungsposition eintreten.
  • Selbstentladung: Die Selbstentladung von Superkondensatoren kann unter bestimmten Umständen ein Problem sein. Es ergibt sich aus dem verwendeten Elektrolyten und bedeutet, dass die gespeicherte Energie innerhalb von etwa einem Monat um 50% oder mehr abnehmen kann. Zum Vergleich: Ein Akku auf Nickelbasis (NiCd oder NiMH) entlädt sich monatlich um etwa 10% oder mehr und ein Li-Ionen-Akku um etwa 5% pro Monat.

Im Allgemeinen sind die Einschränkungen für Supercaps kein großes Problem. Sie können normalerweise in den Bereichen überwunden werden, in denen sie ein Problem darstellen, und in einigen Bereichen verursachen sie möglicherweise keine Probleme.

Zusammenfassung des Superkondensator-Kondensators

Die folgende Tabelle enthält einige der wichtigsten Merkmale einiger der am häufigsten verwendeten Metallfilmkondensatoren, die beim Entwurf von Schaltkreisen oder beim Austausch alter Komponenten berücksichtigt werden können.

Superkondensator, Supercap-Zusammenfassung
ParameterEinzelheiten
Wertebereich~ 0,1 Farad nach oben
BetriebsspannungTypischerweise 2,5 - 2,8 V.

Schau das Video: Roller Starten mit Superkondensator nach 9 Monaten - eflose #887 (November 2020).