Manfred Waidhas

Superkondensatoren haben still und leise Einzug in den heiß umkämpften Markt elektronischer Bauteile gehalten, als Panasonic vor ca. 25 Jahren ihren "Goldcap®" eingeführt hat. Kleiner als ein Fingerhut besaß er eine Kapazität von 1 F bei einer Spannungsauslegung von 2,5 Volt. Breite Beachtung erfuhr diese Spezies neuartiger Kondensatoren erst in jüngster Zeit, als kompakte Zellen von 1.000 bis 5.000 F realisiert wurden. Schnell reifte dabei der Gedanke, sie im Bereich energieeffizienter Antriebssysteme einzusetzen.

Dieser Artikel möchte dem interessierten Leser ihre Funktionsweise nahe bringen, deren besonderen Eigenschaften und mögliche Anwendungen beschreiben.

Der Begriff "Super-" oder "Ultrakondensatoren" soll verdeutlichen, dass ihre Kapazität über die konventioneller Kondensatoren hinausreicht. Doppelschichtkondensatoren (DSK oder DLC = double layer capacitor), wie sie auch noch genannt werden, leiten sich dagegen von ihrem physikalischen Funktionsprinzip ab.

Die Wirkungsweise von Kondensatoren basiert generell auf dem Prinzip der elektrostatischen Ladungstrennung. Bei konventionellen Elektrolytkondensatoren, z.B. auf der Basis Aluminium oder Tantal, werden die Ladungen dabei durch das Dielektrikum - typischerweise das entsprechende Oxid - getrennt (Abb.1). Die Kapazität ist dabei umgekehrt proportional zur Dicke des Dielektrikums. Die Oberfläche (und damit die Kapazität) lässt sich in Grenzen (ca. um den Faktor 100) steigern, indem entweder entsprechende Anodenfolien zu einer porösen Struktur geätzt (Al) oder feine Pulver mit hoher Oberfläche zu Sinterkörpern (Ta) verpresst werden. Die Aufbringung der sperrenden Oxidschicht ist sehr einfach (elektrochemisch durch Anlegen einer so genannten Formierspannung). Aufgrund der porösen Struktur der Anode ist jedoch die direkte kathodenseitige Kontaktierung des Dielektrikums schwierig. Hier behilft man sich bei den Al-Kondensatoren durch einen flüssigen Elektrolyten (→ Elektrolytkondensator), der mühelos in die Poren eindringt und quasi als kathodische Hilfselektrode fungiert.

Abbildung 1: Aufbau eines Al-Elektrolytkondensators

Die Doppelschichtkondensatoren besitzen dagegen kein isolierendes Dielektrikum. Hier erfolgt die Ladungstrennung an der Phasengrenze fest-flüssig, an der so genannten Helmholtzschen Doppelschicht (→ Doppelschichtkondensator). Aufgrund der atomaren Dimension der Ladungsabstände resultieren gemäß C~1/d sehr große spezifische Kapazitäten (siehe Abb.2). Weiter gesteigert wird diese, da als Elektrodenmaterial im allgemeinen Aktivkohle eingesetzt wird, welches per se eine extrem große Oberfläche von > 1.000 m²/g ermöglicht.

Abbildung 2: Funktionsprinzip eines Doppelschichtkondensators

Der Aufbau eines Doppelschichtkondensators ist in den Abbildungen 3 und 4 skizziert. Aktive Masse sowohl der Anode wie der Kathode ist Kohlenstoff, der in porösen Schichten von typischerweise 100 bis 150 µm auf Stromkollektoren aus Aluminium aufgebracht sind. Der Zwischenraum wird durch einen Separator (Abstandshalter) aufgespannt und ist mit Elektrolyt gefüllt. Dieser besteht aus einem Lösungsmittel und einem Leitsalz, welches die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten bewirkt. Ein geöffneter Elektrodenwickel ist in Abb. 5 zu sehen.

Abbildung 3: Schematischer Aufbau eines Doppelschichtkondensators

Abbildung 4: Schematischer Aufbau Doppelschichtkondensator

Abbildung 5: Kondensator in Wickelbauweise

Prinzipiell sind wasserbasierte Elektrolyte und solche mit organischem Elektrolyt vorstellbar. Die wasserbasierten Elektrolyte besitzen eine höhere Leitfähigkeit, allerdings ist die maximale Spannungsauslegung durch die Zersetzungsspannung des Wassers limitiert und auf Werte zwischen 1.0 und 1.5 Volt limitiert. Im Falle der organischen Elektrolyte sind Spannungsauslegungen von 2.3 bis 2.7 Volt möglich, allerdings mit dem Preis einer schlechteren Elektrolytleitfähigkeit (der wiederum in den Innenwiderstand eingeht). Da gemäß

E=½*CU²

Herausragende Eigenschaft der Doppelschichtkondensatoren ist ihre hohe Impulsbelastbarkeit sowohl für Lade- als auch Entladeströme. Sie ist deutlich höher als bei Batterien, wie Abb. 6 am Beispiel des Bleiakkus demonstriert. Zwar werden aktuell Lithiumbatterien ebenfalls in Richtung hoher Strombelastbarkeit optimiert, jedoch ist bei Batterien generell zu berücksichtigen, dass der maximale Ladestrom deutlich kleiner ist als der Entladestrom und generell hohe Ströme ihrer Lebensdauer abträglich sind. Die hohe Lebensdauer (Zyklenzahl) ist ein weiterer Vorteil der DLCs gegenüber den Batterien. Diese kann man u.a. damit erklären, dass es die Lade- bzw. Entladevorgänge beim Kondensator rein physikalischer Natur sind, während bei den Batterien die Änderung der Ladungszustände auch gleichzeitig eine Änderung der Morphologie (z.B. Gitterstruktur) mit sich ziehen.

Abbildung 6: Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren im Vergleich zum Bleiakku

Die beschriebenen Eigenschaften der DLCs hinsichtlich Energiedichte und Leistungsdichte lassen sich sehr schön im so genannten Ragone-Diagramm erkennen (Abb.7).

Abbildung 7: Ragone-Diagramm: Energiedichte verschiedener elektrochemischer Energiespeicher als Funktion der Leistungsdichte

Generelles Manko dagegen ist, dass die erzielbaren Energiedichten deutlich unter denen der Faradayschen Energiespeicher liegen. Ansätze, diesen Nachteil zu schmälern bestehen in der neuesten Entwicklung so genannter "Pseudocaps", bei denen z.B. eine DLC-Elektrode mit der Positiven einer Li-Batterie kombiniert ist. Gemäß

1/C_ges = 1/C_A + 1/C_K      mit C_K » C_A

Weitere Restriktion der DLCs verglichen mit konventionellen Kondensatoren ist die maximale Spannungsauslegung. Sie beträgt, wie bereits beschrieben, maximal ca. 2.5 V, während bei konventionellen Al-Elektrolytkondensatoren Auslegungen bis ca. 400 V möglich sind. Dieser Nachteil trifft jedoch ebenso auf alle Batterietypen zu.

Doppelschichtkondensatoren haben breiten Einzug gefunden in unser Alltagsleben. Wir finden sie in den Rückleuchten von Fahrrädern, wo sie zur Unterstützung des Dynamos beim Anhalten weiterhin Strom für die Beleuchtung liefern oder aber als Stützkondensator in unseren Fernsehgeräten. Sie setzen sich gerade durch bei Windgeneratoren (zur Rotorblattverstellung), als "Starterbatterie" für Diesellokomotiven oder für unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Großes Potenzial besitzen die kleinen Stromriesen des weiteren für Traktionsanwendungen, z.B. in der Automobiltechnik. Erste Praxisversuche zeigen, dass sich selbst mit kleinen Speichereinheiten der Treibstoffverbrauch im Stadtzyklus um 6 bis über 15 % verringern lässt. Doppelschichtkondensatoren ermöglichen damit eine Alternative zu den vieldiskutierten HEVs (hybrid electric vehicles) auf Batteriebasis, bei denen die limitierte Batterielebensdauer noch ein verbliebenes Hindernis für eine breite Marktdurchdringung darstellt.

Der Einzug von Doppelschichtkondensatoren in unsere moderne Technik wird weiter voranschreiten. Hierzu ist es wichtig, die Kosten dieser neuen Technologie weiter zu minimieren. Dies sollte angesichts der verwendeten Materialien (Kohlenstoff, Aluminium) eine lösbare Aufgabe darstellen. Wenn sich die beschriebenen Pseudocaps hinsichtlich Zyklenlebensdauer bewähren, werden diese zusätzlich den Run für elektrische Traktionsunterstützung vorantreiben. Es könnte gut sein, dass bereits in zehn Jahren Doppelschichtkondensatoren nicht mehr aus dem Auto wegzudenken sein werden, ebenso wenig wie momentan der altbewährte Bleiakku.

Wer Lust auf mehr technische Informationen zum Thema Doppelschichtkondensatoren bekommen hat, dem sei beispielsweise folgender Link empfohlen:
http://www.zvei-be.org/veranstaltungen/ultracaps/