Doppelschichtkondensator

Doppelschichtkondensator
Doppelschicht-Kondensatoren bis 3000 F
Prinzip eines idealen Doppelschichtkondensators, 1. Stromquelle, 2. Kollektor, 3. Polarisierte Elektrode, 4. Helmholtz Doppelschicht, 5. Elektrolyt mit positiven und negativen Ionen, 6. Separator. Beim Anlegen einer Spannung bildet sich an den Elektroden jeweils eine Helmholtz-Doppelschicht mit spiegelbildlicher Ladungsverteilung aus

Doppelschichtkondensatoren (englisch electrochemical double layer capacitor, EDLC) sind im normalen Sprachgebrauch Kondensatoren, deren Kapazitätswert sich einerseits aus einer statischen Kapazität in Helmholtz-Doppelschichten und andererseits aus einer elektrochemischen bzw. faradayschen Pseudokapazität zusammensetzt. In den elektrisch isolierenden Helmholtz-Doppelschichten an den Oberflächen spezieller großflächiger Elektrodenmaterialen wird die elektrische Energie statisch als Doppelschichtkapazität in elektrischen Feldern gespeichert. In der Pseudokapazität wird die elektrische Energie spannungsabhängig elektrochemisch bzw. faradaysch mit einer Redoxreaktion und mit einem Ladungsaustausch an den Elektroden gespeichert, wobei allerdings im Gegensatz zu Akkumulatoren an den Elektroden keine chemische Stoffänderung eintritt. Die Pseudokapazität kann durch spezielle Elektroden bei gleichem Bauvolumen einen erheblich größeren Wert als die Doppelschichtkapazität erreichen. Diese Kondensatoren haben die größte Energiedichte und die höchsten Kapazitätswerte pro Bauvolumen aller Kondensatoren.

Der jeweilige Anteil der Doppelschichtkapazität und der Pseudokapazität an der Gesamtkapazität des Kondensators wird in sehr grober Verallgemeinerung durch die Namensgebung solcher Kondensatoren in industriellen Veröffentlichungen erkennbar.

  • Doppelschichtkondensatoren speichern die elektrische Energie überwiegend in Helmholtz-Doppelschichten ihrer Elektroden und haben keinen oder nur einen geringen Anteil (bis etwa 10 %) von Pseudokapazität an der Gesamtkapazität
  • Superkondensatoren und Ultrakondensatoren weisen aufgrund ihrer Elektrodenkonstruktion mit hoher Redoxkapazität meist einen zum Teil deutlich höheren Anteil an der Pseudokapazität auf, wodurch sie eine höhere spezifische Kapazität als Doppelschichtkondensatoren haben.
  • Hybridkondensatoren sind Superkondensatoren mit einer statischen Doppelschichtelektrode und einer elektrochemischen Redox-Elektrode, wobei die Redox-Elektrode einer Elektrode aus einer anderen Technologie ähneln kann, beispielsweise aus dem Bereich der Akkumulatoren oder der Elektrolytkondensatoren.

Allen Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren und Hybridkondensatoren gemeinsam ist, dass der Elektrolyt die leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektroden bildet. Das unterscheidet sie von Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt die Kathode bildet, der Elektrolyt also eine Elektrode ist, die mit dem negativen Anschluss des Kondensators verbunden ist.

Doppelschichtkondensatoren sind, wie auch Elektrolytkondensatoren, gepolte Bauelemente, die nur mit korrekter Polarität betrieben werden dürfen.

Doppelschichtkondensatoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren und Hybridkondensatoren werden unter vielen unterschiedlichen Handelsnamen wie z. B. APowerCap [1], BestCap [2], BoostCap [3], CAP-XX [4], DLCAP [5], EVerCAP [6], DynaCap [7], Faradcap [8], GreenCap [9], Goldcap [10], HY-CAP [11], Super capacitor [12], SuperCap [13], PAS Capacitor [14], PowerStor [15], PseudoCap [16] oder Ultracapacitor [17][18][19] angeboten.

In der wissenschaftlichen Literatur sind Doppelschichtkondensatoren und Pseudokondensatoren idealisierte Beschreibungen der jeweiligen Speicherart und bilden gemeinsam mit Pseudokondensatoren und Hybridkondensatoren eine neue Gruppe von Kondensatoren, die unter dem Oberbegriff „Superkondensatoren“[20] [21] zusammengefasst werden.

Familienzuordnung der Superkondensatoren mit Doppelschicht- und Pseudokondensatoren sowie mit den daraus resultierenden Hybridkondensatoren

Inhaltsverzeichnis

Entwicklung, Familienzuordnung und Hinweise

Entwicklung

Potentialverlauf im Bereich und im weiteren Verlauf einer Helmholtz-Doppelschicht
Schematische Darstellung einer Doppelschicht an einer Elektrode (BMD Model). 1. Innere Helmholtz-Schicht (IHP = Inner Helmholtz Plane), 2. Äußere Helmholtz-Schicht (OHP = Outer Helmholtz Plane), 3. Diffuse Schicht, 4. Solvatisierte Kationen, 5. Adsorbiertes Anion (Redox-Ion, das zur Pseudokapazität beiträgt), 6. Moleküle des Elektrolyt-Lösungsmittels

Zwischen zwei in einem Elektrolyten getauchten Elektroden fließt erst ab einer gewissen Spannung ein Strom. Zu dieser Erkenntnis kam Hermann von Helmholtz schon 1853.[22]. Blieb die angelegte Spannung unterhalb dieses Schwellwerts, so verhielt sich die Anordnung wie ein Kondensator, indem sich positiv und negativ geladene Ionen aus dem Elektrolyten spiegelbildlich an der jeweils entgegengesetzten Elektrode anlagern. Zwischen den Ionen im Elektrolyten und in der Elektrode bildet sich ein elektrisches Feld aus.

Mit der Beschreibung des elektrokinetischen Transportes kolloidaler Suspensionen an den Grenzflächen von Elektroden vertiefte Helmholtz im Jahre 1879 das elektroosmotische Phänomen. Er ging davon aus, dass eine Flüssigkeit an der Grenzfläche einer metallischen Elektrode eine Oberflächenladung und eine Schicht mit Gegenionen bildet. Die Ladung der Gegenionen kompensiert, laut seiner Vorstellung, gerade die Oberflächenladung und ist starr an die Elektrode gebunden. Das durch die Oberflächenladung verursachte elektrische Feld ist auf die Dicke von wenigen Moleküllagen beschränkt. Da dieser Effekt auch auf der Gegenelektrode auftreten muss, nannte er ihn „Doppelschichteffekt“.[23]

Diese Theorie von der Helmholtz-Doppelschicht wurde 1910 von Louis Georges Gouy und 1913 von David Leonard Chapman (1869–1958) weiterentwickelt. Sie gingen jedoch von einer thermischen Bewegung der Gegenionen aus. Die thermische Bewegung führte zur Bildung einer über mehrere Moleküllagen ausgedehnten diffusen Schicht, der so genannten Gouy-Chapman-Doppelschicht, die spannungsabhängig ist und auch noch von der Konzentration der Ionen abhängt. Sie schufen den Begriff der inneren Helmholtz-Schicht. 1924 vereinigte Otto Stern die Vorstellungen von Helmholtz bzw. Gouy und Chapman, als er feststellte, dass sich die Doppelschicht sowohl aus einer starren, als auch aus einer diffusen Schicht zusammensetzt, der so genannten Stern-Doppelschicht.

1947 wurde dieses Modell durch Graham um eine äußere Helmholtz-Schicht ergänzt. Aber es dauerte noch bis 1957, bis der erste reale Kondensator als „Elektrolytkondensator mit porösen Kohlenstoff-Elektroden“ für General Electric patentiert wurde.[24] Für diesen Kondensator mit einem außergewöhnlich hohen Kapazitätswert wurde angenommen, dass die Energie in den Poren der großflächigen Aktivkohle gespeichert wird, ähnlich wie in einem Elektrolytkondensator. In dem Patent wurde daher sinngemäß zum Speicherprinzip geschrieben: „Es ist nicht genau bekannt, was im Bauelement stattfindet, wenn es als Energiespeicher benutzt wird, aber es führt zu einer außerordentlich hohen Kapazität.“

Erst mit der heute allgemein akzeptierten Beschreibung der Vorgänge in einer Doppelschicht 1963 durch Bockris, Muller und Devanathan (BMD-Modell)[25] wurde das Speicherprinzip in elektrischen Doppelschichten genauer formuliert. Diese Erkenntnis fand sich aber noch nicht im nachfolgenden Patent eines „Energiespeicher-Apparates“ von 1966 durch Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA wieder.[26]. Noch 1970 wurde im Patent von Boos ein Doppelschichtkondensator als Elektrolytkondensator angemeldet.[27]

Aufbau und Funktionsweise eines idealen Doppelschichtkondensators. Beim Anlegen einer Spannung bildet sich an den Elektroden jeweils eine Helmholtz-Doppelschicht mit spiegelbildlicher Ladungsverteilung aus

Dieser Doppelschichtkondensator bestand aus zwei großflächigen Elektroden, die mit einem leitfähigem Elektrolyten, einem Ionenleiter, elektrisch miteinander verbunden sind. Die Elektroden werden durch eine elektrisch durchlässige Membran (Separator) getrennt und gegen eine direkte Berührung gegeneinander und somit gegen einen Kurzschluss geschützt. Flächige Stromableiter (Kollektoren) kontaktierten die jeweilige Elektrode und verbanden sie mit den äußeren Anschlüssen. Diese Unterteile wurden zu einem Wickel gewickelt und in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut und verschlossen. Auch heute hat sich an diesem grundsätzlichen Aufbau nicht viel geändert, wenn auch die Entwicklung der Unterteile zu erheblichen Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften geführt hat.

Aufgrund geringer Verkaufszahlen gab SOHIO 1971 das Produkt auf und lizenzierte die Technik an NEC. Das Verständnis über das Verhalten der Speicherung elektrischer Energie durch die Doppelschichten hatte dann allerdings so zugenommen, dass NEC die Doppelschichtkondensatoren unter dem Namen "Supercapacitor" und nicht mehr als "Elektrolytkondensator" erfolgreich vermarkten konnte. Weitere Hersteller folgten in den 1970er Jahren, jeweils mit ihren eigenen Handelsnamen wie DynaCap (Elna)[7] oder Goldcap (Panasonic, 1978). Diesen Produkten gemeinsam war ein relativ hoher Innenwiderstand, der die Leistungsentnahme beschränkte, so dass sie nur als Pufferbatterie für SRAM zum Datenerhalt o. ä. eingesetzt wurden.

Die weitere Forschung am Doppelschichteffekt führte 1971 durch S. Trasatti und G. Buzzanca zur Erkenntnis, dass das elektrochemische Ladungsverhalten von Rutheniumdioxid bei kleinen Spannungen dem von Kondensatoren gleicht. Zwischen 1975 und 1980 wurde durch Brian Evans Conway an mit Rutheniumoxid dotierten Doppelschichtkondensatoren die Oberflächen Redox-Pseudokapazität weiter erforscht. Es war der erste Schritt zu Pseudokondensatoren.[28] [29].

Parallel zur Erforschung der Pseudokapazität gelang es Anfang der 1980er Jahre, den Innenwiderstand der Doppelschichtkondensatoren deutlich zu verringern um die Lade- und Entladezeiten zu verringern. Der erste Doppelschichtkondensator mit niedrigem Innenwiderstand für Leistungsanwendungen wurde 1982 von PRI entwickelt und unter dem Namen „PRI Ultracapacitor“ am Markt etabliert. Später kam Maxwell Technologies mit seinen BoostCaps hinzu. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von Baureihen, deren Doppelschichtkondensator mit niedrigen ESR-Werten ausgestattet sind, z. B. EVerCAP, (Nichicon), Super capacitor (NEC), BestCap (AVX), PAS Capacitor (Tayo Yuden), Faradcap, (Shizuki) sowie Superkondensator (Wima).

Darüber hinaus sind Doppelschichtkondensatoren entwickelt worden, die Elektroden verwenden, die Elektroden aus einer anderen Technologie ähneln, wodurch z. B. eine höhere Spannung verwendet werden kann. Diese Kondensatoren werden "Hybridkondensatoren" genannt. Die bekanntesten Hybridkondensatoren sind die auch „Capattery[30] genannten Kondensatoren von Evans [31], die sich durch eine Kombination einer pseudokapazitiven Metalloxidelektrode (Ruthenium(IV)-oxid) mit einer formierten Anode eines herkömmlichen Elektrolytkondensators (Tantalpentoxid, Aluminiumdioxid) auszeichnen .[32]. Diese Kondensatoren sind allerdings recht teuer, sodass sie bislang nur in sehr speziellen militärischen Anwendungen eingesetzt werden.

Des Weiteren gehören Lithium-Ionen-Kondensatoren zu den Hybridkondensatoren. Diese verwenden eine Kombination einer elektrostatischen Doppelschichtelektrode mit einer elektrochemischen Batterieelektrode zur Erzeugung einer sehr hohen Pseudokapazität und nutzen somit die speziellen Eigenschaften der Materialien aus zwei Technologien zur Erhöhung der Energiedichte, wobei die Eigenschaft der schnellen Lade- und Entladefähigkeit der Doppelschichtkondensatoren beibehalten wird.

Familienzuordnung der Super-, Doppelschicht-, Pseudo- und Hybridkondensatoren

„Stammbaum“ der Superkondensatoren mit Doppelschicht- und Pseudokondensatoren sowie mit den daraus resultierenden Hybridkondensatoren

Mit der Erklärung der Pseudokapazität anhand der Redoxreaktionen bei Rutheniumoxid [29] durch Brian Evans Conway und der Entdeckung, dass die Kapazität von Doppelschichtkondensatoren sich meist aus einer elektrostatischen Kapazität an der Helmholtz-Doppelschicht und einer elektrochemischen Redox-Pseudokapazität zusammensetzt, wurde es erforderlich, die Systematik der unterschiedlichen Kondensatorarten aufzuzeigen und für die neue Technologie einen gemeinsamen Oberbegriff zu finden. Diese Systematik findet sich wieder im „Stammbaum der Superkondensatoren“, der die Trennung in reine Doppelschichtkondensatoren, in Pseudokondensatoren sowie in Kondensatoren, die beide Effekte in sich tragen, den Hybridkondensatoren, darstellt. Nach dem Vorschlag von Conway wurde die neue Kondensatorfamilie unter dem Begriff Superkondensatoren zusammengefasst. Sie werden in der Industrie aber auch oft Ultrakondensatoren genannt.[20] [21] [33]

Der Begriff Superkondensator und die Darstellung der Familienzugehörigkeit hat sich in der wissenschaftlichen Literatur weitgehend durchgesetzt, ist aber in der breiten Öffentlichkeit bislang so gut wie unbekannt. Auch in den Publikationen der Hersteller zu den Daten ihrer betreffenden Kondensatoren ist diese Unterscheidung selten zu finden. Es ist allerdings zu erwähnen, dass der Begriff "Superkondensator" auch kommerziell als Handelsname genutzt wird. Schon der erste kommerziell erfolgreiche Doppelschichtkondensator 1971 wurde von NEC unter dem Namen "supercapacitor" auf den Markt gebracht [34]. Auch der Hersteller WIMA bietet seine Doppelschichtkondensatoren mit dem werbeträchtigen Namen Superkondensator bzw. SuperCaps an [35]

Hinweise zu „elektrischen“" oder „elektrochemischen“ Kondensatoren

In der englischen Literatur wurde anfänglich für Doppelschichtkondensatoren die Umschreibung elektrische Doppelschichtkondensatoren (engl. electric double layer capacitors, EDLC) verwendet. In neueren Publikationen, die auch eine zeitgemäße Kenntnis der physikalischen und chemischen Vorgänge zeigen, wird für Doppelschicht-, Super- und Ultrakondensatoren die Umschreibung elektrochemische Doppelschichtkondensatoren“ (engl. electrochemical double layer capacitors, EDLC) verwendet. Im Gegensatz dazu werden die übrigen Kondensatoren wie Keramik- und Kunststoff-Folienkondensatoren zu den statischen Kondensatoren gerechnet, bei denen die Speicherung der elektrischen Energie statisch zwischen zwei Elektroden in einem elektrischen Feld erfolgt.

Aber auch in idealen Doppelschichtkondensatoren findet kein elektrochemischer Prozess an den Elektroden statt, denn die Speicherung elektrischer Energie in einer Helmholtz-Schicht ist eine statische Speicherung in einem elektrischen Feld. Anders ist es bei den Pseudokondensatoren, bei denen bei der Energiespeicherung faradaysch ein Ladungsaustausch an den Elektroden stattfindet, sich also ein chemischer Prozess abspielt. Da jedoch die meisten Doppelschichtkondensatoren auch eine Pseudokapazität besitzen, also ein Teil der Energiespeicherung in EDLCs auch aus einem chemischen Prozess stammt, ist es richtig, wenn für Doppelschicht-, Super- und Ultrakondensatoren die Umschreibung elektrochemische Kondensatoren verwendet wird.

Hinweis zur Kennzeichnung der Polarität

Pseudokondensatoren speichern die elektrische Energie mit einem elektrochemischen Prozess. Damit ähneln sie in ihrer Wirkungsweise den Akkumulatoren. Bei der Kennzeichnung der Elektroden durch die Begriffe Anode und Kathode kann es, je nachdem, ob ein Bauelement als Erzeuger oder als Verbraucher betrachtet wird, deshalb zu Verwechslungen kommen. Denn bei einem elektrischen Erzeuger für Gleichspannung (Akkumulator) hat die Kathode positive Polarität (+). Dahingegen hat bei einem elektrischen Verbraucher - Kondensatoren gelten hier als Verbraucher – die Kathode negative Polarität (−). Im Folgenden werden deshalb die Elektroden nur mit ihrer Polarität benannt.

Speicherprinzipien der elektrostatischen und elektrochemischen Kondensatoren

Speicherprinzipien

Doppelschichtkondensatoren unterscheiden sich im Lade-Entladeverhalten deutlich von Akkumulatoren

Doppelschichtkondensatoren können elektrische Energie auf zwei unterschiedliche Weisen speichern, mit einer statischen Speicherung in elektrischen Doppelschichten und mit einer elektrochemischen Speicherung mit Redoxreaktionen in einer sogenannten Pseudokapazität. Beide Speicherprinzipien treten mit unterschiedlich großem Anteil in den Kondensatoren auf, wobei durch spezielle Elektroden die mit Redoxreaktionen erzielbare elektrochemische Pseudokapazität bei gleichem Bauvolumen einen um Faktor 10 bis zu 100 größeren Wert als die bei der statisch in der Doppelschicht gespeicherten Energie erreichen kann [28].

Die statisch in den Doppelschichten (Doppelschichtkapazität) und elektrochemisch mit den Redoxreaktionen gespeicherte elektrische Energie (Pseudokapazität) addieren sich zur Gesamtkapazität des jeweiligen Kondensators. Da sowohl die elektrostatische Energiespeicherung an der Doppelschicht als auch die Redox-Reaktionen bei der Pseudokapazität sich linear zur gespeicherten Ladung im Kondensator verhalten, entspricht der Spannungsverlauf am Kondensator der gespeicherten Energie. Das unterscheidet die Kondensatoren von den Akkumulatoren, deren Spannung an den Anschlüssen unabhängig vom Ladezustand weitgehend konstant bleibt.

Statische Kapazität einer Helmholtz-Schicht

Schematische Darstellung des stark vereinfachten Modells von Bockris, Devanathan und Muller einer Doppelschichtkapazität in einer Helmholtz-Doppelschicht in Feld zwischen den im Elektrolyten gelösten Kationen und den negativen Ionen in der Elektrode

Mit der Beschreibung der Phänomene an den Grenzflächen von Elektroden schuf Helmholtz die theoretischen Grundlagen für Doppelschichtkondensatoren. Er ging davon aus, dass eine Flüssigkeit an der Grenzfläche einer metallischen Elektrode eine Oberflächenladung und eine Schicht mit Gegenionen bildet. Da dieser Effekt auch auf der Gegenelektrode auftreten muss, nannte er ihn „Doppelschichteffekt“.[23]

Heutzutage werden die Phänomene im Bereich einer Elektrode mit dem Begriff „Doppelschichteffekt“ beschrieben, denn die elektrochemische Helmholtz-Doppelschicht beschreibt die Grenzphänomene zwischen einem Elektronenleiter, der Elektrode und einem Ionenleiter, dem Elektrolyten. Sie wird auch Elektrode-Elektrolyt-Phasengrenze genannt.

Der physikalische Effekt, der in einer Helmholtz-Doppelschicht einer Elektrode auftritt, bewirkt, dass beim Anlegen einer Spannung sowohl im Oberflächenbereich einer Elektrode als auch im Elektrolyten jeweils eine trennende Schicht entsteht, die spiegelbildlich auch an der zweiten Elektrode des Kondensators wiederzufinden ist. Die „Dicke“ einer Schicht, d. h. die mittlere Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche, beträgt in Metallen etwa 0,1 nm, im Elektrolyten 0,1 bis 10 nm; sie wird durch die Debye-Länge beschrieben. Im Elektrolyten ist sie von der Größe, der Beweglichkeit und von der Konzentration der Ionen abhängig, im Metall vor allem von der Elektronendichte, da die Atomrümpfe in festen Elektroden nicht beweglich sind.

Im Elektrolyten, der im Doppelschichtkondensator bis tief in die Poren der großflächigen Elektroden verteilt ist, dissoziiert das Leitsalz zunächst in seine positiven und negativen Ionen.

Beim Anlegen einer Spannung bildet sich an den Grenzflächen im Oberflächenbereich der beiden Elektroden zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten jeweils eine trennende elektrochemische Doppelschicht aus. Die elektrisch trennende Doppelschicht hat eine Schichtdicke von etwa dem Durchmesser eines Moleküls des Lösungsmittels des Elektrolyten. Die angelegte Spannung bewirkt eine Wanderung der statistisch im Elektrolyten verteilten Anionen und Kationen im Elektrolyten teilweise durch den Separator hindurch, hin zur gegenpoligen Elektrode. Sie reichern sich dort mit einer Adsorptionsreaktion spannungsabhängig und spiegelbildlich gegenpolig an den beiden Doppelschichten an den Elektroden an. Die Ladungen der adsorbierten Ionen im Elektrolyten werden durch Gegenladungen in den Elektroden ausgeglichen.

An diesen Grenzschichten sammeln sich die anionischen beziehungsweise kationischen Ladungen beim Laden des Kondensators spannungsabhängig spiegelbildlich mit einer Adsorptionsreaktion statisch an. Die Ladungen der adsorbierten Ionen im Elektrolyten werden durch Gegenladungen in den Elektroden ausgeglichen.

Zwischen den angesammelten Ladungen, den Ionen im Elektrolyten und den Ionen in der Elektrode innerhalb der Phasengrenzen kommt es zu einer Ladungstrennung mit der Bildung eines elektrisches Feldes, dessen Stärke der angelegten Spannung entspricht. Damit wird durch die Helmholtz-Doppelschicht ein statischer Kondensator gebildet. Beim Entladen verteilen die Ionen sich nach einer Desorptionsreaktion wieder im Elektrolyten.

Die Adsorption ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Stoff, in diesem Fall Ionen, auf der Oberfläche eines anderen Stoffes haften bleiben und sich auf dessen Oberfläche anreichern. Die Kräfte, die die Anhaftung verursachen, sind keine chemischen Bindungen, sondern nur physikalische Kräfte ähnlich der Adhäsion. Chemische Bindungen innerhalb eines adsorbierten Teilchens bleiben bestehen, werden jedoch polarisiert.

Beim Anlegen einer Spannung, die kleiner als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten ist (siehe Elektrolyse), binden die Adsorptionskräfte die Ionen spiegelbildlich an den beiden Helmholtz- Doppelschichten im Doppelschichtkondensator. Sie wirken wie zwei in Serie geschaltete Kondensatoren mit jeweils einem Dielektrikum mit der Dicke nur einer Moleküllage. Da die Kapazität eines Kondensators umso größer ist, je dünner das Dielektrikum d ist und je größer die Elektrodenfläche A und die Dielektrizitätszahl ε ist, hat die äußerst dünne Helmholtz-Doppelschicht einen wesentlichen Anteil an der hohen Kapazität von Doppelschichtkondensatoren:

C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \cdot \frac{A}{d}

Da außerdem aufgrund der äußerst großen Oberfläche des verwendeten Elektrodenmaterials, meist Aktivkohle, die Elektrodenfläche sehr groß ist, wird verständlich, warum EDLCs die höchste Speicherdichte unter den Kondensatoren besitzen.[29] [36] [21]

Durch die äußerst geringe Dicke entsteht in der Helmholtz-Doppelschicht ein sehr starkes elektrisches Feld E. Bei einer Potentialdifferenz von beispielsweise U = 2 V und einem molekularen Abstand von d = 0,4 nm ist Feldstärke

E = \frac{U}{d} = \frac{2\ \text{V}}{0{,}4\ \text{nm}} = 5000\ \text{kV/mm}

Eine solche Feldstärke ist in einem Kondensator mit einem herkömmlichen Dielektrikum nicht realisierbar. Kein Dielektrikum würde einen Durchbruch der Ladungsträger verhindern können. Bei einem Doppelschichtkondensator verhindert die chemische Stabilität der molekularen Bindungen einen Durchschlag.[37]

In einem idealen Doppelschichtkondensator werden, bei geeignetem Aufbau der Elektroden, aus energetischen Gründen die Ionen des Elektrolyten nicht mit Ladungs-Transfer-Übergängen faradaysch entladen, d. h., die Kationen geben ihre Elektronen nicht an die negative Elektrode weiter und die Anionen nehmen keine Elektronen aus der positiven Elektrode auf. Die Speicherung elektrischer Energie mit Hilfe von Helmholtz-Doppelschichten ist deshalb im Gegensatz zur Speicherung elektrischer Energie in Pseudokondensatoren und zu elektrochemischen Energiespeichern (Batterien und Akkumulatoren) eine statische Speicherung.

Elektrochemische Pseudokapazität

Prinzipdarstellung der Entstehung einer Pseudokapazität durch adsorbierte Ionen, die ihre Ladung an die Elektrode abgegeben haben

Die messbare Kapazität von Doppelschichtkondensatoren, dies ist eine Erkenntnis der Forschungsergebnisse durch B. E. Conway[29], lässt sich nur zu etwa 90 % mit der Elektrodenoberfläche und der Dicke der Helmholtz-Doppelschichten erklären. Die zusätzliche Kapazität konnte durch eine einfache reversible Redoxreaktion (Reduktions-Oxidations-Reaktion) zwischen der Elektrode und den Kationen im Elektrolyten erklärt werden, die an der Oberfläche der Elektrode abläuft. Beim Laden geben die Kationen an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Anionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode. Dort nehmen aber nicht die Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht „elektronenhungrigen“ Übergangsmetallionen.

Die Redoxreaktionen sind innerhalb enger Spannungsgrenzen wie eine Kapazität wirksam und können auch so gemessen werden, wobei allerdings im Gegensatz zu Akkumulatoren an den Elektroden keine Stoffänderung eintritt. Die durch elektrochemische Redoxreaktionen hervorgerufene Kapazität wird Pseudokapazität genannt. Kondensatoren, deren Kapazität aus elektrochemischen Reaktionen stammt, heißen Pseudokondensatoren.[29][38] [36][39] Die Fähigkeit von Elektroden, Redoxreaktionen, die zu einer Pseudokapazität führt, zu bewerkstelligen, hängt vom Material der Elektroden ab. Auch Kohlenstoffelektroden können eine Pseudokapazität aufweisen,[40][41] deren Größe abhängig von der Porengröße des Materials ist[41].

Aber um zu einer deutlichen Erhöhung der Gesamtkapazität durch den Pseudokapazitätsanteil zu kommen, werden Elektroden aus speziellen Materialien benötigt. Dafür geeignet, weil sie die elektrochemischen Redoxreaktionen ermöglichen, sind Elektroden aus leitfähigen Polymeren oder es werden bestimmte Metalle oder Metalloxide in das Elektrodenmaterial durch Dotierung eingebracht und mit Hilfe einer Interkalation eingefügt, d. h. Einlagerung von Fremdatomen oder Verbindungen in die Zwischenräume von Schichtebenen, z. B. von Graphit, an denen dann die Redoxreaktionen mit den dafür geeigneten Kationen stattfinden.

Am besten erklärt ist die Pseudokapazität bei Rutheniumoxid (RuO2).[29] Hier kommt es zu einer gekoppelten reversiblen Redoxreaktion mit mehreren Oxidationsstufen, deren Potenziale sich überlappen. Die Elektronen kommen meist aus den Valenzorbitalen des Elektrodenmaterials und die Elektronentransferreaktion geschieht sehr schnell, wobei nach folgender Reaktionsgleichung hohe Ströme fließen können:

\mathrm{RuO_2 + H^+ + e^- \leftrightarrow RuO(OH)}

Bei diesem Charge-Transfer-Übergang (Ladungs-Transfer-Übergang) werden beim Laden bzw. Entladen H+ Protonen in das Ruthenium-Kristallgitter eingelagert bzw. aus ihm entfernt. Es erfolgt eine faradaysche bzw. elektrochemische Speicherung elektrischer Energie ohne chemische Umwandlung des Elektrodenmaterials. Die OH-Gruppen lagern sich als molekulare Schicht an die Elektrodenoberfläche an und bilden Helmholtz-Schichten. Deshalb haben Pseudokondensatoren mit einem hohen Anteil an Pseudokapazität immer auch noch einen gewissen Anteil an statischer Kapazität, die aus der Doppelschicht herrührt. Da die messbare Spannung aus der Redoxreaktion proportional zu dem Ladungszustand ist, entspricht das Verhalten der Reaktion dem eines Kondensators und nicht dem eines Akkumulators, bei der die Spannung weitgehend unabhängig vom Ladezustand ist.

Eine Pseudokapazität kann, bei gleichem Volumen oder gleichem Gewicht, eine bis zu 100-fach größere Kapazität bilden als eine statische Kapazität in Helmholtz-Doppelschichten. Das hängt von der Größe der beteiligten Atome ab, die meist deutlich kleiner als die Ionen im Elektrolyten sind. Die Redoxreaktionen haben keine stofflichen Änderungen im Elektrodenmaterial zur Folge, mögliche Reaktionsprodukte bleiben im Bereich der Helmholtz-Schicht vor der Elektrode. Allerdings ist bei realen „Pseudokondensatoren“ die gesamte Kapazität des Kondensators immer eine Summe aus einem mehr oder weniger großen Anteil an Pseudokapazität und einem weiteren Anteil aus der statischen Kapazität der Helmholtz-Doppelschicht.

Die elektrochemischen Redoxreaktionen sind sehr schnell. Damit besitzen die Kondensatoren, die diese Eigenschaft aufweisen, die Superkondensatoren, Ultrakondensatoren und die Hybridkondensatoren, zwei wesentliche Vorteile gegenüber Akkumulatoren: Der Lade- und Entladevorgang ist deutlich schneller als bei Akkumulatoren und es findet so gut wie keine Alterung durch chemische Zersetzung statt. Durch ihre Eigenschaft der schnellen Lade- und Entladefähigkeit gekoppelt mit einer vergleichsweise hohen Energiedichte sind sie deshalb in den Blickpunkt der Öffentlichkeit geraten, weil sie bei den neuen Konzepten der Elektromobilität als Speicher für die Rückgewinnung von Bremsenergie sowie als Energielieferant bei Lastspitzenbedarf in Bahnen, Bussen und in Kraftfahrzeugen in Frage kommen.[42]

Aufbau von Doppelschichtkondensatoren

Aufbau

Ein Doppelschichtkondensator besteht aus zwei großflächigen Elektroden, die mit einem leitfähigem Elektrolyten, einem Ionenleiter, elektrisch miteinander verbunden sind. Die Elektroden werden durch eine elektrisch durchlässige Membran (Separator) getrennt und gegen eine direkte Berührung gegeneinander und somit gegen einen Kurzschluss geschützt. Flächige Stromableiter (Kollektoren) kontaktieren die jeweilige Elektrode und verbinden sie mit den Anschlüssen. Diese Unterteile können zu einem Wickel gewickelt werden oder aber in mehreren Lagen zu einem Stapel verarbeitet werden. Anschließend werden sie in einem gemeinsamen Gehäuse (Zelle) eingebaut und mehr oder weniger hermetisch verschlossen.

Elektroden

REM Aufnahme von Kohlenstoff-Nanofasern mit Faserbündelstruktur, Oberfläche etwa 1500 m2/g
REM-Aufnahme von aufrecht gewachsenen Kohlenstoffnanoröhren, Oberfläche etwa 2200 m2/g

Für Doppelschicht-, Super-, Pseudo- und Hybridkondensatoren gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Elektroden. Je nach Hersteller und Entwicklungsstand haben alle Versionen in den jeweiligen Kondensatoren Vor- aber auch Nachteile. Allen gemeinsam ist aber, dass sie eine möglichst gute Leitfähigkeit und eine möglichst große Oberfläche bei kleinstem Volumen und Gewicht haben sollen. Für reine Doppelschichtkondensatoren wird diese Forderung durch vier unterschiedliche Elektrodenversionen erfüllt: Elektroden aus Aktivkohle, aus Kohlenstoff-Aerogel, aus Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen [21].

Am häufigsten werden für Doppelschichtkondensatoren Elektroden aus Aktivkohle eingesetzt. Sie ist recht preiswert, nicht giftig und enthält keine die Umwelt schädigenden Stoffe. Sie kann außerdem aus preisgünstigen, natürlichen Ausgangsstoffen, wie z. B. Kokosnussschalen, Zucker oder Algen, hergestellt werden.[42] Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff. Entlang der Kristallebenen ist Kohlenstoff elektrisch sehr leitfähig und eignet sich deshalb gut als Elektrodenmaterial.

In der einfachsten Form werden diese Kohlenstoffelektroden aus gepresstem aktivierten Pulver mit hoch poröser Struktur verwendet. Die Poren sind wie bei einem Schwamm untereinander verbunden (offenporig) und bilden eine sehr große innere Oberfläche. Sie beträgt bis zu 2000 m2/g, damit entspricht die innere Oberfläche von 4 g Aktivkohle ungefähr der Fläche eines Fußballfeldes. Für eine Elektrode aus Aktivkohle mit 1000 m2/g ergibt sich bei einer typischen Doppelschichtkapazität von 10 µF/cm2 eine spezifische Kapazität von 100 F/g. In einer weiteren Form kann Aktivkohle zu Kohlenstofffasern (engl. Activated Carbon Fiber, ACF), versponnen werden, die zu Gewebe für flexible Elektroden verarbeitet werden können. Die Oberfläche solcher Gewebe ist meist größer als die der schwammartigen Pulver.

Größere Elektrodenoberfläche von bis zu 3000 m2/g besitzen Kohlenstoff-Aerogele (CRF). Aerogele sind hochporöse Festkörper[43], die bis zu 99,98 % des Volumens aus Poren bestehen. Dieses Material hat eine große Festigkeit und kann als Elektrodenmaterial für mechanisch widerstandsfähige Kondensatoren genutzt werden. Damit können sehr große spezifische Kapazitätswerte in Doppelschichtkondensatoren erreicht werden.

Neuere Entwicklungen verwenden Doppelschichtelektroden in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen. Forschern des MIT entwickelten Ultrakondensatoren mit Matten aus Kohlenstoffnanoröhren, die eine theoretische Kapazität von 550 F/g erreichen können. Recht anschaulich wird diese Elektrode beim Beladen mit Ionen von J. Schindall dargestellt.[44] Die Nanofasern haben Durchmesser zwischen 0,7 bis 2 nm mit einer Länge von einigen zehn µm. Das Problem dieser Neuentwicklung ist die Kohlenstoffnanoröhren für die benötigten Elektroden in genügend großer Fläche und in großen Mengen herzustellen.

Auch Graphen hat eine sehr große Oberfläche, ein Gramm davon hat eine Oberfläche von 2675 Quadratmetern. Die Firma Nanotek Instruments [45] aus Ohio/USA ist es gelungen, Graphen in einer Form zu produzieren, die an zerknülltes Papier erinnert.[46] Die zweidimensionale Struktur der Graphenschicht verbessert außerdem die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Graphen-Superkondensators. Die Ladungsträger bei vertikal orientierten Graphen-Nanoschichten können schneller in die tieferen Strukturen der Elektrode hineinwandern bzw. herauskommen und beschleunigen damit die Schaltgeschwindigkeit. Sogar für 100/120 Hz Filteranwendungen sind solche Kondensatoren geeignet.

Elektroden, die diese Eigenschaften aufweisen, also einen großen Anteil an Pseudokapazität durch Redoxreaktionen besitzen, sind beispielsweise leitfähige Polymere wie Polypyrrol, Polyanilin, Pentacen oder Polythiophen [47] oder mit einem leitfähigem Polymer beschichteter Aktivkohle [48]. Diese Elektroden sind preiswert und haben, aufgrund der zusätzlichen Pseudokapazität durch eine Dotierung, eine wesentlich höhere spezifische Kapazität als reine statische Doppelschichtelektroden, weisen jedoch aufgrund chemischer Instabilitäten bei ihren elektrochemischen Reaktionen eine kürzere Lebensdauer und verringerte Zyklusfestigkeit auf. Die geringe Zyklusfestigkeit hat bislang verhindert, dass Pseudokondensatoren mit leitfähigen Polymeren auf den Markt gebracht wurden.

Wegen ihrer hohen Leitfähigkeit sind verschiedenen Metalloxide (RuO2, Fe3O4 oder MnO2 ) als Elektroden für Pseudokondensatoren gut geeignet. Sie haben den Vorteil, dass diese Elektroden eine wesentlich höhere Kapazität aufweisen. Es wurde ein Wert für Elektroden aus Rutheniumoxid von bis zu 600& F/g nachgewiesen.[49] Die Metalloxide werden durch Dotierung von Protonen in das amorphe Elektrodenmaterial eingebracht oder sie werden mit Hilfe einer Interkalation in das Elektrodenmaterial eingefügt. Wegen des recht hohen Preises werden solche Pseudokondensatoren jedoch nur für militärische Anwendungen hergestellt.[50]

In Hybridkondensatoren, die Kombination von elektrostatischen Doppelschicht- mit elektrochemischen Pseudokondensatoren, werden drei unterschiedliche Arten von Elektroden eingesetzt.

Hybridkondensatoren mit Kompositelektroden sind mit symmetrischen Elektroden aufgebaut, meist aus Aktivkohle, die Einlagerungen aus leitfähigen Polymeren oder Metalloxiden enthalten. Das Elektrodenmaterial Aktivkohle sorgt in diesen Kondensatoren für eine große Oberfläche und die Einlagerungen schaffen durch Redoxreaktionen zusätzliche Pseudokapazität sodass die sich ergebende Gesamtkapazität und Leistungsdichte deutlich höher als bei einem reinen Doppelschichtkondensator ist. In neueren Entwicklungen wird die Aktivkohle durch Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen ersetzt.

Asymmetrische Hybridkondensatoren kombinieren eine herkömmliche Doppelschichtelektrode mit einer Elektrode aus einem Pseudokondensator. Darunter hat eine Kombination aus einer negativen Elektrode aus Aktivkohle kombiniert mit einer positiven Elektrode aus leitfähigem Polymer besonders gute Ergebnisse gebracht. Durch diese Kombination wird die Zyklusfähigkeit der Polymerelektrode gegenüber dem Einsatz in einem Pseudokondensator deutlich verbessert.

Hybridkondensatoren mit Batterie-ähnlichen Elektroden sind ebenfalls asymmetrisch aufgebaut. Zu dieser Gruppe gehören die Lithium-Ionen-Kondensatoren. In ihnen werden eine Aktivkohleelektrode aus einem Doppelschichtkondensator mit einer dotierten Pseudokapazitätselektrode kombiniert. Bei diesen Kondensatoren werden beim Laden des Kondensators die (relativ kleinen) Lithium-Atome in der Polymerelektrode zwischen den Ebenen „eingelagert“, es entsteht eine Interkalationsverbindung (z. B. LixnC).[51], die zu einer großen Pseudokapazität führt.

Elektrolyt

Der Elektrolyt in Doppelschichtkondensatoren, die elektrisch leitfähige Verbindung beider Elektroden, bestimmt das Spannungsfenster, in dem der Kondensator betrieben werden kann, seinen Temperaturbereich, den Innenwiderstand (ESR) und über seine Stabilität auch das Langzeitverhalten des Kondensators.

Ein Elektrolyt besteht immer aus einem Lösungsmittel mit gelösten Chemikalien, die in positive Kationen und negative Anionen dissoziieren und dadurch seine Leitfähigkeit bewirken. Je mehr Ionen der Elektrolyt enthält, desto besser ist seine Leitfähigkeit. Der Elektrolyt muss die porige, schwammartige oder vernetzte Struktur der Elektroden durchdringen können, seine Viskosität muss klein genug sein, um die Elektrodenoberfläche voll benetzen zu können. Er muss außerdem chemisch inert sein und darf die Materialien des Kondensators chemisch nicht angreifen. Aus dem Bereich der Anwendungen kommen dann die anderen Anforderungen an den Elektrolyten, der gewünschte Temperaturbereich und die geforderte Spannungsfestigkeit. Einen idealen Elektrolyten gibt es nicht, die Eigenschaften eines Elektrolyten sind immer ein Kompromiss aus Leistungsvermögen und Anforderungsprofil.

Wasser ist ein relativ gutes Lösungsmittel für anorganische Chemikalien. Mit Säuren wie Schwefelsäure (H2SO4), Alkalien wie Kaliumhydroxid KOH oder Salzen, wie quartäre Phosphoniumsalze, Natriumperchlorat (NaClO4), Lithiumperchlorat (LiClO4) oder Lithiumhexafluoridoarsenat (LiAsF6) versetzt, können relativ hohe Leitfähigkeitswerte von etwa 100 bis 1000 mS/cm erreicht werden. Preiswerte wasserhaltige Elektrolyte haben aber eine Dissoziations-Spannung von nur 1,2 V und einen relativ kleinen Betriebstemperaturbereich. Deshalb werden wasserhaltige Elektrolyte nur in EDLCs mit geringer Energiedichte aber hoher Leistungsdichte eingesetzt.

Elektrolyte mit organischen Lösungsmitteln wie Acetonitril, Propylencarbonat, Tetrahydrofuran, Diethylcarbonat, γ-Butyrolacton und Lösungen mit quaternären Ammoniumsalzen oder Alkylammoniumsalzen wie z. B. Tetraethylammoniumtetrafluoroborat (N(Et)4BF4,[52]) oder Triethyl(metyl)ammoniumtetrafluoroborat (NMe(Et)3BF4) sind teurer als wässrige Elektrolyte, haben aber eine höhere Dissoziations-Spannung von typisch 2,5 V bis zu etwa 4 V und einen höheren Temperaturbereich. Ihre Leitfähigkeit von etwa 10 bis 60 S/cm führt zwar zu einer geringeren Leistungsdichte, da jedoch die Energiedichte mit dem Quadrat der Spannung ansteigt, haben Doppelschichtkondensatoren mit organischen Lösungsmittelelektrolyten eine höhere Energiedichte als EDLCs mit wässrigen Elektrolyten.[53][54]

Separatoren

Separatoren sollen die beiden Elektroden mechanisch voneinander trennen um einen Kurzschluss zu verhindern. Sie können sehr dünn sein (wenige hundertstel Millimeter) [55] und müssen sehr porös sein um möglichst wenig zum Innenwiderstand (ESR) des Kondensators beizutragen. Außerdem müssen sie chemisch inert sein, um den Einfluss auf die Langzeitstabilität und die Leitfähigkeit des Elektrolyten gering zu halten. Preiswerte Lösungen verwenden offene Kondensatorpapiere als Separator, professionelle Doppelschichtkondensatoren verwenden poröse Kunststoff-Folien, Glasfasergewebe oder poröse Keramikgewebe als Separatoren.[20]

Kollektoren und Gehäuse

Die Kollektoren (Stromsammler) dienen dem elektrischen Kontaktieren des Elektrodenmaterials und verbinden diese mit den Anschlüssen des Kondensators. Sie müssen eine gute Leitfähigkeit besitzen, immerhin sollen Spitzenströme von bis zu 100 A problemlos auf die Kondensatorzelle verteilt bzw. von ihr abgenommen werden. Sofern das Gehäuse wie üblich aus einem Metall besteht, sollten Kollektoren und Gehäuse aus demselben Material bestehen, meist Aluminium, weil sich sonst in Anwesenheit eines Elektrolyten eine galvanische Zelle bilden würde, die zu Korrosion führen könnte. Die Kollektoren werden entweder in einem Sprühverfahren auf die Elektroden aufgesprüht oder bestehen aus einer Metallfolie, auf der die Elektrode angebracht ist.

Elektrische Eigenschaften

Kapazität

Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines Doppelschicht-Kondensators, die Spannungsverteilung im Kondensator und sein vereinfachtes Gleichstrom-Ersatzschaltbild
Messbedingungen zur Messung der Gleichspannungskapazität von Doppelschichtkondensatoren
Abhängigkeit der Kapazität eines 50 F Doppelschichtkondensators von der Messfrequenz
Schematische Darstellung des elektrischen Verhaltens in der porigen Struktur der Elektroden

Doppelschichtkondensatoren bestehen aus zwei großflächigen Elektroden C1 und C2, die mit einem leitfähigen Elektrolyten elektrisch miteinander verbunden sind. An jeder der beiden Elektroden wird beim Laden des Kondensators elektrische Energie gespeichert, sei es statisch in der Doppelschicht oder elektrochemisch in den Redoxreaktionen der Pseudokapazität. Dadurch entstehen im Kondensator zwei interne Kondensatoren, die über den Widerstand Ri des elektrisch leitenden Elektrolyten miteinander in Reihe geschaltet und über die Kollektoren mit ihren beiden Zuleitungswiderständen mit der Umwelt verbunden sind. Die Gesamtkapazität eines EDLCs ergibt sich dann aus der Serienschaltung dieser beiden Kondensatoren:

C_\text{gesamt} = \frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2}

Bei symmetrischen Elektroden wird damit die Gesamtkapazität des Kondensators gleich der halben Kapazität einer Elektrode.

Der von außen an den Anschlüssen messbare Wert dieser Kapazität C ergibt sich aus dem Energieinhalt W eines mit der Ladespannung ULade geladenen Kondensators:

W=\frac{1}{2}\cdot C_\text{gesamt} \cdot U_\text{Lade}^2,

Diese Kapazität wird auch „Gleichspannungskapazität“ genannt. Sie wird nach geltender Norm (DIN EN 62391-1) gemessen, indem der Kondensator zunächst mit einer Konstantstromquelle auf seine Nennspannung geladen wird. Danach wird der Kondensator 30 Minuten auf diesem Spannungswert gehalten und dann mit einem definierten Entladestrom IEntlade entladen, wobei dann die Zeit ermittelt wird, die vergeht, in der die Spannung von 80 % auf 40 % der Nennspannung abfällt. Die Kapazität ergibt sich dann gemäß der Definition im nebenstehenden Bild aus der Formel:

C_\text{gesamt} = I_\text{Entlade} \cdot \frac{t_2-t_1}{U_1-U_2}

Der Wert des Entladestromes richtet sich nach der Applikation, für die die Kondensatoren vorgesehen werden. Die Norm definiert hier vier Klassen:

  • Klasse 1, Erhalt von Speichern, Entladestrom in mA = 1 · C (F)
  • Klasse 2, Energiespeicherung, Entladestrom in mA = 0,4 · C (F) · U (V)
  • Klasse 3, Leistungsanwendungen, Entladestrom in mA = 4 · C (F) · U (V)
  • Klasse 4, Momentanleistung, Entladestrom in mA = 40 · C (F) · U (V)

Die Messverfahren, die von den einzelnen Herstellern spezifiziert werden, können in einigen Details vom genormten Verfahren abweichen, siehe beispielsweise: [56] [57]

Die normgerechte aber sehr zeitaufwendige Messmethode zur Messung der Kapazität kann aus dem Energieinhalt W und durch eine Messung des Spannungsfalls von 90 % auf 70 % des Nennspannungswertes UR nach folgender Formel berechnet werden [58] :

C=\frac{2 W}{(0,9 U_{R})^2 - (0,7 U_{R})^2}

Diese Messverfahren sind sehr zeitaufwendig. In der industriellen Produktion können Doppelschichtkondensatoren mit diesen Verfahren nicht überprüft werden. Die Gleichspannungskapazität wird deshalb mit einem sehr viel schnelleren Messverfahren mit einer kleinen Messfrequenz als Wechselspannungskapazität gemessen und mit Hilfe eines Korrelationsfaktors berechnet. Allerdings ist die Kapazität eines Doppelschichtkondensators sehr stark frequenzabhängig. Schon bei einer Messfrequenz von 10 Hz fällt der Messwert auf nur etwa 20 % des Gleichspannungswertes ab. Der Korrelationsfaktor kann deshalb nur mit sehr viel Erfahrungen und Vergleichen festgelegt werden.

Die starke Frequenzabhängigkeit der Kapazität von Doppelschichtkondensatoren hängt zusammen mit der begrenzten Beweglichkeit der Ionen im Elektrolyten und der porigen Struktur der Elektroden. Die Eigenschaften, die sich daraus ergeben, lassen sich elektrisch recht gut mit einer Reihenschaltung hintereinander geschalteter RC-Glieder beschreiben. Um die gesamte Kapazität einer Pore bis zum Ende der Pore auszunutzen, müssen alle Einzelkapazitäten über die seriellen RC-Zeitkonstanten erreicht werden, dabei muss der fließende Strom zeitverzögert einen immer größer werdenden Leitungswiderstand überwinden. Somit wird die gesamte Kapazität des Doppelschichtkondensators nur nach längeren Einschaltzeiten erreicht. Beim Anlegen einer Wechselspannung, auch mit sehr kleiner Frequenz, wird nur die stark reduzierte Kapazität am Poreneingang genutzt. Mit diesem Modell lässt sich auch die starke Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstandes verdeutlichen.

Die Frequenzabhängigkeit der Kapazität hat auch Auswirkungen auf den Betrieb der Kondensatoren. Sollen die EDLCs mit schnellen Lade- und Entladezyklen betrieben werden, dann steht der Anwendung nicht mehr der volle Wert der Gleichspannungskapazität zur Verfügung. Der nutzbare Kapazitätswert ist kleiner und muss im Einzelfall der Applikation durch entsprechende Auswahl des Kondensators angepasst werden.

Spannungsfestigkeit und Polarität

Die Spannungsfestigkeit von Doppelschichtkondensatoren wird begrenzt durch die maximale Dissoziationsspannung, bei der der Helmholtz-Effekt in den Doppelschichten stabil bleibt. Bei höheren Spannungen erfolgt eine elektrolytische Zersetzung des Elektrolyten oder anders ausgedrückt, es kommt zu einem direkten Ladungsaustausch von den Ionen als Ladungsträger auf die Elektroden. Dabei kann es zu chemischen Reaktionen kommen, die zur Gasbildung führen und damit den Kondensator zerstören können.

Die Dissoziationsspannung hängt von der Zusammensetzung des Elektrolyten ab. Bei wässrigen Elektrolyten liegt diese Grenze bei 1,2 V und bei Elektrolytsystemen auf der Basis organischer Lösungsmittel im Allgemeinen bei 2,3 V. Bei neueren Lithium-Ionen-Kondensatoren mit dotierter Anode wird eine Spannungsfestigkeit von 3,8 bis 4  V erreicht, wobei jedoch, bedingt durch die Dotierung, eine untere Spannungsgrenze von etwa 2,2  V nicht unterschritten werden darf.

Doppelschichtkondensatoren werden überwiegend als gepolte Kondensatoren hergestellt. Sie dürfen nicht in "falscher" Polarität entgegen der Polaritätskennung betrieben werden. Das schließt auch einen Betrieb mit Wechselspannungen aus. Ein Betrieb mit falscher Polarität führt zur Gasentwicklung und Zerstörung des Kondensators.

Doppelschichtkondensatoren können jedoch auch bipolar aufgebaut werden. Bipolare EDLCs mit großflächigen Elektroden erlauben in einer Serienschaltung eine besonders große Leistungsdichte. Nachteil der bipolaren Konstruktion ist die Kapselung jeder Einzelzelle, da ein Elektrolytschluss zwischen den Zellen vermieden werden muss.[59] Die Entwicklung dieser bipolaren Doppelschichtkondensatoren durch Epcos ist allerdings mit der Aufgabe der Aktivitäten auf diesem Gebiet im Jahre 2007 eingestellt worden.[60]

Innenwiderstand

Die Berechnung des Innenwiderstands erfolgt mit dem Spannungsfall, der sich aus der Verlängerung des graden Abschnitts der Entladespannung im Schnittpunkt des Entladebeginns ergibt

Das Laden oder Entladen eines Doppelschichtkondensators ist verbunden mit einer Polarisierung der Ionen im Elektrolyten und einer Bewegung der Ladungsträger durch den Separator hindurch bis tief in die Poren der Elektroden hinein. Bei dieser Bewegung der Ionen im Elektrolyten treten Verluste auf, die als Innenwiderstand des Kondensators gemessen werden können. Mit dem elektrischen Modell seriell geschalteter RC-Glieder in den Poren der Elektroden im obigen Bild lässt sich dabei leicht erklären, dass der Innenwiderstand von Doppelschichtkondensatoren mit zunehmender Eindringtiefe der Ladungsträger in die Poren der Elektroden zeitverzögert zunimmt. Da die Ladungsträgerbeweglichkeit auch noch begrenzt ist, ist nicht nur die Kapazität sondern auch noch der Innenwiderstand stark frequenzabhängig.

Das Laden bzw. Entladen eines Kondensators ist letztendlich aber ein Vorgang, bei dem ein Gleichstrom fließt. Der wirksame Innenwiderstand eines EDLCs, der Innenwiderstand Ri , mitunter auch ESRDC genannt, wird deshalb in den jeweiligen Datenblättern als Gleichstromwiderstand angegeben. Er wird über den Spannungsfall ΔU2, der sich aus der Verlängerung des graden Abschnitts der Entladespannung als Schnittpunkt mit der Entladekurve zum Zeitpunkt des Entladebeginns ergibt, nach folgender Formel berechnet:

R_i = \frac{\Delta U_2}{I_\text{Entlade}}

Als Entladestrom für die Messung des Innenwiderstandes gilt der Strom nach der Klasseneinteilung gemäß DIN EN62391-1.

Eine andere, schnellere Messmethode zur Messung eines Innenwiderstandes bietet die Messung eines Wechselstromwiderstandes. Dieser Wechselstromwiderstand wird ESR oder ESRAC genannt (en: Equivalent Series Resistance). Er wird bei 1 kHz gemessen und weist einen deutlich kleineren Widerstandswert auf. Mit einer phasenwinkelkompensierten 1 kHz-Messung[53] kann, nach sorgfältiger Analyse von Vergleichsdaten, der ESR mit Hilfe von Korrelationsfaktoren zur Ermittlung des Gleichstrom-Innenwiderstandes benutzt werden.

Der Innenwiderstand Ri bestimmt mehrere Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren. Er begrenzt zum einen die Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit des Kondensators. Zusammen mit der Kapazität C des Kondensators ergibt sich die Zeitkonstante τ mit

\tau = R_\text{i} \cdot C

Diese Zeitkonstante bestimmt die zeitliche Grenze, mit der ein Kondensator ge- bzw. entladen werden kann. Ein 100 F-Kondensator mit dem Innenwiderstand von 30 mΩ hat z. B. eine Zeitkonstante von 0,03 · 100 = 3 s, d. h., nach 3 s Laden mit einem nur durch den Innenwiderstand begrenzten Strom hat der Kondensator 62,3 % der Ladespannung erreicht. Da bis zum vollständigen Laden des Kondensators eine Zeitdauer von etwa 5 τ benötigt wird, hat die Spannung dann nach etwa 15 s die Ladespannung erreicht.

Der Innenwiderstand Ri ist aber auch der begrenzende Faktor, wenn mit Doppelschichtkondensatoren der Vorteil der schnellen Lade-/Entladefähigkeit gegenüber Akkumulatoren ausgenutzt werden soll. Denn bei den sehr hohen Lade- und Entladeströmen I, die bei Leistungsanwendungen von Doppelschichtkondensatoren auftreten, treten interne Verluste Pv auf,

P_\text{v} = R_\text{i} \cdot I_2

die über den Innenwiderstand Ri zu einer Erwärmung des Kondensators führen. Diese Erwärmung ist die Hauptursache für die größenmäßige Begrenzung der Lade- und Entladeströme bei den Doppelschichtkondensatoren, insbesondere bei häufig auftretenden Lade-/Entladevorgängen.

Da sowohl die Ladungsträgerbeweglichkeit der Ionen im Elektrolyten, als auch die Leitfähigkeit des Elektrolyten gegenüber Elektronen in metallischen Leitern deutlich geringer ist, ist der Innenwiderstand Ri von EDLCs höher als bei anderen Kondensatortechnologien jedoch deutlich kleiner als bei Akkumulatoren und zeigt auch ein deutlich besseres Tieftemperaturverhalten. Allerdings hängen beide Eigenschaften stark von der Zusammensetzung des Elektrolyten ab und unterscheiden sich deutlich bei den unterschiedlichen Baureihen der verschiedenen Hersteller.

Leistungsdichte und Energiedichte

Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher

Doppelschichtkondensatoren, vor allem die neueren Entwicklungen, die als Super- oder Ultrakondensatoren vermarktet werden, können im Vergleich zu Akkumulatoren deutlich schneller ge- oder entladen werden und erhöhen somit die Verfügbarkeitszeit der Geräte. Dieses ist ein entscheidendes Einsatzkriterium von EDLCs gegenüber Akkumulatoren und findet sich im Begriff der Leistungsangabe wieder, die entweder auf ihre Masse bezogen ist und dann als gravimetrische Leistungsdichte in kW / kg oder als Volumenleistungsdichte in kW/cm3 angegeben wird. Sie ist durch die Wärmeentwicklung bei der Strombelastung über den Innenwiderstand bestimmt. Hohe Leistungsdichten ermöglichen Anwendungen zur Pufferung von Verbrauchern (Energiespeicher), die kurzzeitig einen hohen Strom benötigen oder abgeben (z. B.:Nutzbremsung).

Die Energiedichte dagegen ist das Maß für die speicherbare elektrische Energie in einem Doppelschichtkondensator. Sie ist bei diesen Kondensatoren ein wichtiger Kennwert zum Vergleich mit Akkumulatoren und wird als gravimetrische Energiedichte in Wh/kg oder kWh/kg angegeben. Mitunter wird die Energiedichte auch auf das Bauvolumen bezogen, dann wird sie als volumetrische Energiedichte in Wh/cm3 oder kWh/cm3 angegeben.

Die Energiedichte von Doppelschichtkondensatoren ist zur Zeit (2011) noch deutlich geringer als die von neueren Akkumulatoren, jedoch können in einigen Anwendungen, bei denen häufigeres schnelles Laden möglich ist, der Nachteil einer geringeren Energiedichte durch den Vorteil der höheren Leistungsdichte mehr als aufgewogen werden.

Leistungsdichte und Energiedichte werden meist in einem sogenannten Ragone-Diagramm dargestellt. Mit einem solchen Diagramm ist die Einordnung einer bestimmten Speichertechnologie im Vergleich mit anderen Technologien visuell anschaulich darstellbar.

Grundsätzlich zeichnen sich Doppelschichtkondensatoren, vor allem die neueren Entwicklungen, die als Super- oder Ultrakondensatoren vermarktet werden, gegenüber anderen Energiespeichern wie Akkumulatoren oder Schwungradspeichern durch ihre besonders hohe Leistungsdichte, die sich in den technisch realisierbaren sehr hohen Lade- und Entladeströmen widerspiegelt, sowie lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit, hohen Wirkungsgrad und Wartungsfreiheit aus. Sie sind daher ideal für die Rekuperation von Bremsenergie geeignet.

Zyklusfestigkeit

Beim Zyklusbetrieb von Doppelschichtkondensatoren für Leistungsanwendungen können sehr hohe Ströme fließen. Große Superkondensatoren mit der Kapazität von mehr als 1000 F lassen gemäß Datenblattspezifikation maximale Ströme (Spitzenstrom) über 1000 A zu. Bei solch hohen Strömen tritt nicht nur eine starke interne Erwärmung der Kondensatoren auf, bei der die Wärmeausdehnung einen zusätzlichen Stressfaktor bildet, sondern es entstehen auch noch starke elektromagnetische Kräfte mit Auswirkung auf die Festigkeit der Elektroden-Kollektor-Verbindung. Eine große Zyklusfestigkeit von EDLCs mit bis zu 1.000.000 Zyklen ist also nicht nur eine Frage der chemischen Stabilität der Unterteile sondern auch noch Ergebnis einer mechanisch robusten und stabilen Konstruktion.[61] Die Steilheit der Lade- und Entladezyklen sowie deren Anzahl haben außerdem noch einen Einfluss auf die Lebensdauer der Kondensatoren [62].

Lebensdauer

Die Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren hängt von der Betriebsspannung und von der Betriebstemperatur ab

Die Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren wird in den Datenblättern der Hersteller immer mit einer getesteten Zeit bei der oberen Grenztemperatur spezifiziert, z. B. in der Schreibweise „5000 h/65 °C“. Sie ist stark von der jeweiligen Baureihe abhängig und wird definiert als zulässige Änderungen elektrischer Parameter während der Betriebszeit. Denn während des Betriebs von Doppelschichtkondensatoren, der „Lebensdauer“ oder auch „Brauchbarkeitsdauer“, verringert sich im Laufe der Zeit die Kapazität und der Innenwiderstand erhöht sich. Die Gründe für diese Änderungen der elektrischen Parameter sind sowohl das langsame Verdunsten des Elektrolyten durch Diffusion durch die Abdichtung hindurch als auch chemische Prozesse, die zur Veränderung der Eigenschaften der Kollektoren, der Elektroden und des Elektrolyten führen. Durch die langsame Änderung der Parameter werden die Kondensatoren irgendwann ihre Funktion nur noch vermindert erfüllen. Deshalb werden Änderungsgrenzen definiert, deren Überschreitung als sogenannte „Änderungsausfälle“ gewertet werden. Wird auch nur eine dieser Grenzen unter- bzw. überschritten, ist das Ende der Lebensdauer des Kondensators erreicht. Die Kondensatoren sind zwar auch dann noch weiter betriebsfähig, nur eben mit verminderten elektrischen Eigenschaften.

Für die Kapazität ist die Grenze zum Änderungsausfall nach DIN EN 62391-2 erreicht, wenn der Kapazitätswert sich um 30 % gegenüber seinem Anfangswert vermindert hat. Für den Innenwiderstand gilt nach DIN als Änderungsausfall, wenn er den 4-fachen Wert seiner Spezifikation überschritten hat. Wird auch nur eine dieser Grenzen unter- bzw. überschritten, ist das Ende der Lebensdauer des Kondensators erreicht.

Diese nach DIN zulässigen Änderungen sind jedoch für Anwendungen mit hohen Ein- und Ausschalt-Strombelastungen meist zu hoch. Viele Hersteller, deren Superkondensatoren für hohe Ströme vorgesehen sind, spezifizieren deshalb die maximalen Parameteränderungen zur Definition der Lebensdauer der Kondensatoren mit deutlich engeren zulässigen Änderungen, beispielsweise mit nur 20 % Änderung der Kapazität kombiniert mit der maximalen Änderung des Innenwiderstandes auf den doppelten Datenblattwert [63]. Insbesondere für den Innenwiderstand ist diese engere Definition bei hoher Strombelastung wichtig, da die Wärmeentwicklung im Kondensator linear mit dem Innenwiderstand ansteigt und bei einem 4-fach höherem Innenwiderstand die Verlustwärme ebenfalls 4-fach höher wäre und es möglicherweise dadurch zu einer unzulässigen Gasdruckentwicklung im Kondensator kommen könnte.

Die in den Datenblättern spezifizierte Lebensdauer bei der oberen Grenztemperatur kann von Anwendern in Lebensdauerzeiten für abweichende Betriebsbedingungen umgerechnet werden. Dies erfolgt im Allgemeinen bei herkömmlichen Doppelschichtkondensatoren, die nicht für Leistungsanwendungen vorgesehen sind, ähnlich wie bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren, nach dem „10-Grad-Gesetz“, auch „Arrhenius-Gesetz“ genannt. Danach verdoppelt sich die abschätzbare Lebensdauer pro 10 °C niedrigere Betriebstemperatur, weil die Änderungen der elektrischen Parameter entsprechend langsamer verlaufen.

L_x =L_0\cdot 2^\frac{T_0-T_x}{10}
  • Lx = zu berechnende Lebensdauer
  • L0 = im jeweiligen Datenblatt spezifizierte Lebensdauer
  • T0 = obere Grenztemperatur
  • Tx = aktuelle Betriebstemperatur der Kondensatorzelle

Ist eine Baureihe wie im nebenstehenden Bild mit 5000 h bei 65 °C spezifiziert, dann werden die Kondensatoren mit etwa 10.000 h bei 55 °C oder mit 20.000 h bei 45 °C gleiche Änderungen der elektrischen Parameter aufweisen.

Die Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren ist aber im Gegensatz zu den Al-Elkos auch noch abhängig von der Betriebsspannung, denn die chemischen Prozesse, die zur Änderung des Kapazitätswertes und des Innenwiderstandes führen, sind Spannungsabhängig. Für diese Spannungsabhängigkeit der Lebensdauer kann keine allgemein geltende Formel angegeben werden. Der Kurvenverlauf, der aus dem nebenstehenden Bild hervorgeht, ist deshalb nur als ein Erfahrungswert eines Herstellers zu sehen.

Bei Super- oder Ultrakondensatoren, deren Kapazität sich aus einem sehr hohen Anteil an Redox-Pseudokapazität ergibt, können die oft recht hohen Lade- und Entladeströmen außerdem auch noch korrosive Prozesse an den Kollektoren hervorrufen.[53] Solche Prozesse werden beschleunigt durch hohe Temperaturen, die beim häufigen Laden und Entladen entstehen. Die Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren für Leistungsanwendungen wird deshalb auch noch beeinflusst durch die Anzahl der Schaltzyklen.

Natürlich kann die Lebensdauer für einen einzelnen Kondensator mit einer Formel, auch wenn sie als allgemein gültig betrachtet wird, nicht berechnet werden. Die Berechnung einer Lebensdauer kann nur als Abschätzung eines statistischen Mittelwertes der Lebensdauer eines Kollektivs unter gleichartigen Bedingungen eingesetzter Bauelemente gesehen werden.

Reststrom und Selbstentladung

Die Speicherung elektrischer Energie statisch in den Helmholtzschen Doppelschichten erfolgt in einem Abstand der Ladungsträger zueinander, der im molekularen Bereich liegt. Bei diesem geringen Abstand können Effekte auftreten, die zum Austausch von Ladungsträgern führen. Diese Selbstentladung ist als Reststrom, auch Leckstrom genannt, messbar. Dieser Reststrom hängt von der Spannung und von der Temperatur am Kondensator ab. Er ist bei Raumtemperatur, bezogen auf die gespeicherte Ladungsmenge, so gering, dass üblicherweise die Selbstentladung des Kondensators als Ladungsverlust oder als Spannungsverlust für eine bestimmte Zeit spezifiziert wird. Als Beispiel sei hier ein „5-V/1-F-Goldcapacitor“ von Panasonic angeführt, dessen Spannungsverlust bei 20 °C in 600 Stunden (25 Tage) etwa 3 V beträgt, für die Einzelzelle also 1,5 V.[64] Die Selbstentladungsrate ist für die meisten Anwendungen von Doppelschichtkondensaten ausreichend niedrig genug, sie ist jedoch höher als bei Akkumulatoren.

Technische Daten im Vergleich

Kondensator mit 1 F bei maximal 5,5 V. Als Ersatz von Pufferbatterien in elektronischen NV-RAM-Speichern

Doppelschichtkondensatoren sind jetzt (2011) schon seit etwa 4 Jahrzehnten auf dem Markt. Aufgrund der inzwischen entwickelten vielen neuen Materialien bei den Elektroden und Elektrolytsystemen sind recht viele unterschiedliche Versionen entstanden. Deshalb unterscheiden sich die technischen Daten der Doppelschichtkondensatoren der unterschiedlichen Hersteller zum Teil deutlich voneinander.

Die Kapazität handelsüblicher Doppelschichtkondensatoren liegt zur Zeit (2011) im Bereich zwischen 1 F bis etwa 100 F bei einer Spannungsfestigkeit von 2,3–2,75 V. Super-, Ultrakondensatoren und Lithium-Ionen-Kondensatoren werden als Einzelzellen mit Kapazitätswerten zwischen 100 F bis 6500 F[13] gefertigt. Die Kondensatoren verschiedener Hersteller und Anwendungen unterscheiden sich zum Teil deutlich bei der spezifischen Kapazität (F/cm3), bei der Maximalspannung und beim Innenwiderstand, der Einfluss auf die Leistungsdichte und somit auf die Lade-/Entladegeschwindigkeit hat.[65]

Die Tabelle zeigt verallgemeinert die wichtigsten technischen Daten zwischen drei unterschiedlichen Familien von Doppelschichtkondensatoren im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Da insbesondere aufgrund der neuen Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität zur Zeit erhebliche Aufwendungen für Forschung und Entwicklung getätigt werden, neue Produkte beinahe monatlich angekündigt werden, kann diese Tabelle nur den augenblicklichen Zustand vom Februar 2011 wiedergeben.

Kennwerte von Doppelschichtkondensatoren
im Vergleich mit Elektrolytkondensatoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Kennwerte Elektrolyt-
kondensatoren
Doppelschicht-
kondensatoren
Super-,
Ultra-
kondensatoren
Lithium-
Ionen-
Kondensatoren
Lithium-
Ionen-
Akkumulatoren
Betriebs-
temperaturbereich (°C)
−40…+125 −20…+70 −20…+70 −20…+70 −20…+60
Nennspannung
pro Zelle (V)
4...550 1,2…4 2,5…4 2,2…3,8 2,5…4,2
Lade-/Entlade-Zyklenlebensdauer unbegrenzt 105…106 105…5 · 105 2 · 104…105 0,5...4 · 103
Kapazitätsbereich (F) ≤ 1 0,1…100 100…6500 300…2200
Kapazität pro Volumen (F/cm3) 0,001 5…8 8…10 10…18 1000
Energiedichte (Wh/kg) 1,5…3,9 4…9 10…15 95…190
Effektive Leistungsdichte (kW/kg) > 100 2…10 3…10 3…6 0,3…1,5
Selbstentladezeit bei Raumtemperatur kurz
(Tage)
mittel
(Wochen)
mittel
(Wochen)
lang
(Monate)
lang
(Monate)
Wirkungsgrad (%) 99 95 95 90 90
Lebensdauer bei Raumtemperatur (Jahre) > 20 5…10 5…10 5…10 3…5

Vor- und Nachteile gegenüber Akkumulatoren

Dieser Artikel oder Abschnitt besteht hauptsächlich aus Listen, an deren Stelle besser Fließtext stehen sollte
besser so ?

Doppelschichtkondensatoren gehören zu den Bauelementen für Elektronische Anlagen und Geräte, die in großen Stückzahlen industriell hergestellt und eingesetzt werden. Die Gründe für ihren Einsatz ergeben sich aus ihren Eigenschaften. Mit diesen stehen sie im Wettbewerb mit anderen Bauelementen, in diesem Fall vorzugsweise mit Akkumulatoren. Die Vorteile von Doppelschichtkondensatoren gegenüber Akkumulatoren sind

  • ihre höhere Leistungsdichte,
  • durch ihren kleineren Innenwiderstand sind sehr hohe Spitzenströme möglich
  • dadurch kommt es auch bei großen Strömen zu einer geringen Eigenerwärmung
  • und es wird ein Betrieb mit schnellem Laden und Entladen des Kondensators möglich.
  • Die Kondensatoren besitzen mit der Zyklusfestigkeit von mindestens 1.000.000 Zyklen innerhalb der Lebensdauer eine höhere Lade-/Entladezyklenzahl,
  • die Lebensdauer ist mit > 10 Jahre deutlich größer,
  • sie haben mit >95 % einen besseren Wirkungsgrad,
  • die vollständige Entladung des Kondensators ist unkritisch,
  • der Temperaturbereich ist größer,
  • die Kondensatoren sind wartungsfrei und
  • sie verwenden umweltfreundliche Materialien ohne verbotene Schwermetalle.

Dagegen haben Doppelschichtkondensatoren gegenüber Akkumulatoren die Nachteile

  • des deutlich höheren Preises und
  • der deutlich geringeren Energiedichte.

Normung

Für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche von Doppelschichtkondensatoren sind die Rahmenbedingungen in den Normen festgelegt

Die Bedingungen für die Prüfungen von Doppelschichtkondensatoren und der Messvorschriften ihrer elektrischen Parameter[58] werden in mehreren Normen entsprechend ihrer Einsatzbereiche festgeschrieben.

In der Fachgrundspezifikation

  • DIN EN 62391-1 (Elektrische Doppelschichtkondensatoren zur Verwendung in Geräten der Elektronik) sowie in der Rahmenspezifikation [66] bzw. OEVE/OENORM EN 62391-1 in Österreich bzw. SN EN 62391-1 in der Schweiz
  • DIN EN 62391-2 (Elektrische Doppelschichtkondensatoren für Leistungsanwendungen) [67] bzw. OEVE/OENORM EN 62391-2 in Österreich bzw. SN EN 62391-2 in der Schweiz. Hier werden die Anforderungen an Doppelschichtkondensatoren für den Einsatz in der Elektronik festgelegt. Darüber hinaus werden in der
  • IEC 62576 die Anforderungen für den Einsatz im Bereich der Automobilelektronik [68] und in der
  • IEC 61881-3 die Anforderungen für den Einsatz im Bereich der Bahnen spezifiziert.[69]

Die EN 62391-1 teilt die Anwendungen in vier Bereiche, den sogenannten „Klassen“ ein. Die Klassen werden über den Entladestrom definiert, der in der Applikation benötigt wird.

  • Klasse 1, Datenerhalt von Speichern, langzeitiger Entladestrom im Bereich nA bis µA, Strom (mA) maximal 10 · C (F )
  • Klasse 2, Energiespeicherung für den Betrieb von Antriebsmotoren, Entladestrom im Bereich mA bis A , Strom (mA ) maximal 4 · C (F ) · U (V)
  • Klasse 3, Stromlieferant für längerzeitige Leistungsanwendungen, Entladestrom (mA) maximal 40 · C (F) · U (V)
  • Klasse 4, Stromlieferant für kurzzeitige Momentanleistung, Entladestrom (mA) maximal 400 · C (F) · U (V)

(C = Nennkapazität in Farad, (U = Nennspannung in Volt)

Anwendungen

Klassische Anwendungsbeispiele für Doppelschichtkondensatoren

Datenerhalt (Klasse 1-Doppelschichtkondensatoren)

Die ersten Doppelschichtkondensatoren, die vor etwa 20 Jahren auf den Markt kamen, hatten zwar höhere Kapazitätswerte als Elektrolytkondensatoren bei deutlich kleineren Bauvolumen aber noch relativ hohe Innenwiderstände. Sie waren jedoch ideal geeignet für Verbraucher, deren Strombedarf gering war und die zumindest zeitweilig von der Stromversorgung getrennt waren, beispielsweise bei elektronischen Datenspeichern (RAM, SRAM) in der industriellen Elektronik aber auch in der Konsumelektronik (Spielzeuge). Hier konnte und kann der Energieinhalt W des Kondensators mit der Kapazität C und der Ladespannung ULade

W=\frac{1}{2}\cdot C\cdot U_\text{Lade}^2,

zur Energieversorgung der Schaltungen bei konstanter Stromentnahme I genutzt werden. Dabei lässt sich dann die Versorgungszeit t durch die Gleichung

t=\frac{C\cdot (U_\text{Lade}-U_\text{min}) }{I}

berechnen, wobei ULade die maximale und Umin ist die minimale Betriebsspannung des Kondensators ist.

Leistungsbetrieb (Klasse 2- Doppelschichtkondensatoren)

Seilbahn (Luftseilbahn) in Zell am See, Österreich
Nahaufnahme einer Rotornabe mit Pitchsystem

Mit der fortschreitenden Entwicklung kamen EDLCs mit noch höheren Kapazitätswerten und niedrigeren Innenwiderständen auf den Markt. Dadurch wurden neue Applikationen in der industriellen Leistungselektronik möglich. Doppelschichtkondensatoren konnten nun als Stromquelle für elektrische Stellantriebe oder für den Fahrbetrieb kleinere Elektrofahrzeuge wie Gabelstapler und ähnlicher Transportmittel eingesetzt werden. Relativ neu ist der Einsatz von Klasse 2-Doppelschichtkondensatoren in Seilbahnkabinen. Die Gondeln sind mancherorts bis zu 24 Stunden am Tag im Einsatz und da Akkumulatoren eine zu lange Ladezeit und eine unzureichende Lebensdauer aufweisen, bieten Superkondensatoren, die bei jeder Stationsdurchfahrt über eine Stromschiene neu geladen werden können, einen idealen Ersatz. In diesen Fällen, in denen ein Verbraucher mit konstanter Leistung P betrieben wird, berechnet sich die Betriebszeit t nach

t=\frac{1}{2 P}\cdot C\cdot(U_\text{Lade}^2-U_\text{min}^2).

wobei ULade die maximale und Umin die minimale Betriebsspannung des Kondensators ist.

Weitere Anwendungen finden Doppelschichtkondensatoren bei stark schwankenden Belastungen in Laptops, Funk- und Telekomunikationsgeräten. Sie können Belastungsspitzen abfangen und beim Ausgleich von Leistungsschwankungen unterstützend wirken. Sie eignen sich ebenfalls zur Kurzzeitspeicherung bei der photovoltaischen Einspeisung ins Niedrigspannungsnetz.[70] Ein weiteres Einsatzfeld ist die Flügelsteuerung (Drehzahlregelung, Notabschaltung) von Windkraftanlagen. So ist es z. B. bei Sturm möglich, die Rotorblätter aus dem Wind zu drehen, selbst wenn die Verbindung zum elektrischen Netz unterbrochen ist.

Der von den Kondensatoren lieferbare Strom in solchen Anwendungen ergibt sich aus der Häufigkeit der Strom-Lade- und Entladezyklen. Diese Strombelastung führt über den Innenwiderstand zur inneren Erwärmung der jeweiligen Kondensatoren und muss dem entsprechenden Datenblatt entnommen werden.

Momentanleistungen (Klasse 4- Doppelschichtkondensatoren)

Mit den niedrigeren Innenwiderständen weiterentwickelter Doppelschichtkondensatoren eigneten sich diese Bauelemente auch für Anwendungen, in denen kurzzeitige Spitzenströme benötigt wurden. Dies sind beispielsweise unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) zur Überbrückung kurzfristiger Netzausfälle bei Geräten oder Anlagen in Krankenhäusern und in der Industrie.[71] EDLCs, die entsprechend der benötigten Betriebsspannung zusammen geschaltet sind, konnten hier die zum Teil erheblich größeren Batterien bisheriger Elektrolytkondensatoren ablösen.

Im Parallelbetrieb mit Batterien z. B. in portablen GSM-Geräten können Doppelschichtkondensatoren eine Stossstrombelastung puffern und damit die Lebensdauer der Batterie verlängern.

Neue Anwendungsbeispiele für Superkondensatoren

Straßenbeleuchtung

Straßenbeleuchtung auf LED-Basis

Relativ neu ist die Anwendung von Superkondensatoren in der Straßenbeleuchtung, die wegen der besseren Tieftemperatureigenschaften und der längeren Lebensdauer den Vorzug gegenüber Akkus erhielten. In dieser Anwendung werden tagsüber die Kondensatoren über Solarzellen geladen und liefern ab Einbruch der Dunkelheit den Strom für LED-Leuchten. Diese Straßenbeleuchtung kann somit völlig ohne Netzanschluss betrieben werden.[72]

Starterbatterien für Dieselloks

Doppelschichtkondensatoren können als Ergänzung zu den Akkus als Starterbatterie in Dieselloks und zum Vorheizen des Katalysators zum Einsatz kommen. Ab 2004 läuft hierzu bei Siemens ein Langzeitversuch zum Nachweis der Bahntauglichkeit.[73] [74] Durch Gewichts- und Bauraum-Reduzierung ist mit dieser Lösung ein höherer Treibstoffvorrat in Dieselloks möglich. Wartungsfreiheit und umweltfreundliche Materialien waren bei der Entscheidung, diesen Versuch durchzuführen, weitere entscheidende Vorteile für den Einsatz von Doppelschichtkondensatoren.

Rekuperation

Obwohl sie nur sehr geringe Betriebsspannungen von etwa 2,7 V besitzen und sie aufgrund höherer Arbeitsspannungen in vielen Bereichen mit einer Serien-Parallelschaltung zu einem homogenen Zellverbund zusammen gekoppelt werden müssen, wobei hohe Anforderungen an die erforderlichen Steuerungen gestellt werden müssen[74], ist die Doppelschicht-Technologie aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der Zyklusfestigkeit ideal für die Rekuperation von Bremsenergie [75] geeignet.

Rekuperation in Kraftfahrzeugen

Suzuki SX4 Brennstoffzellenfahrzeug

In Kombination mit Akkumulatoren lassen sich mit Doppelschichtkondensatoren deutliche Gewichtseinsparungen des Gesamtsystems und eine Verlängerung der Lebensdauer des Akkumulators erreichen. Hybridfahrzeuge (HEV) sind aus diesem Grund bereits jetzt teilweise mit Doppelschichtkondensatoren ausgestattet, um die Akkus bzw. den Verbrennungsmotor zu puffern. Insbesondere das Zusammenarbeiten von Brennstoffzellen, Akkus und EDLCs könnte sich in Zukunft als umweltfreundliche Kombination im Automobilbetrieb herausstellen.[76] [77][78]

Rekuperation in Bussen

Auch wenn dieser "BusBus" in Hamburg [79] vermutlich Li-Akkus zur Rekuperation verwendet, so ist er mit dem Slogan "Beim Bremsen auftanken" ein gutes Beispiel für die Energie-Rückgewinnung

Schon 2001 wurde der sog. „Ultracapbus“ von der MAN, der erste Hybridbus mit Ultrakondensatoren in Europa, der Öffentlichkeit vorgestellt und 2001/2002 im realen Linienbetrieb in Nürnberg erprobt. Jeder Bus enthielt 8 Ultracapmodule die mit 640 V betrieben wurden. Der Energieinhalt der Module betrug 0,4 kWh bei einem Gewicht von 400 kg und lieferte einen maximalen Strom von 400 A. Die Vorteile des Systems waren eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (derzeit 10 bis 15 % im Vergleich zum konventionellen Dieselfahrzeug), eine Reduktion der CO2-Emissionen, das Verlassen der Haltestelle ohne störende Geräusch- und Abgasbelastung, die Erhöhung des Fahrkomforts (ruckfreies vibrationsarmes Fahren) und eine Reduktion der Wartungskosten.[80] [81]

Ein weiterer Betriebsversuch mit Superkondensatoren wurde 2002 mit der TOHYCO-Rider Kleinbusflotte in Luzern, Schweiz, erfolgreich durchgeführt. Die Busse können an jeder Haltestelle berührungslos induktiv aufgeladen werden. Alle Versuche fielen erfolgreich aus, sodass der Flottenversuch 2004 weiter fortgesetzt wurde.[82]

Rekuperation in Stadtbahnen

In einigen Stadtbahnnetzen werden teilweise Speicherstationen mit Doppelschichtkondensatoren eingesetzt, um eine Stromrückspeisung bei Nutzbremsung auch dann zu ermöglichen, wenn das Netz nicht aufnahmefähig ist. Ein Beispiel ist das MITRAC Energy Saver-System (Bombardier Transportation), das u. a. für Straßenbahnen im Probebetrieb eingesetzt wird: Kurzzeitig können hier 600 kW bereitgestellt, unter Beschleunigung bis zu 1 km fahrdrahtlos gefahren und ca. 30 % an Antriebsenergie eingespart werden.[83] [42]

Rekuperation in der Formel 1

Weltmeister Sebastian Vettel nach seinem Sieg in Malaysia 2010

Besonders anspruchsvoll ist der Einsatz von Superkondensatoren im Motorsport. Die FIA, der internationale Dachverband des Automobilsports, hat im Jahre 2007 im Regelwerk für die Formel-1-Boliden erlaubt, dass im Antriebsstrang ein 200-kW-Hybrid-Antrieb verwendet werden darf, der Superkondensatoren und Akkumulatoren in Parallelschaltung enthält (KERS). Durch Einspeisen der Bremsenergie und Rücklieferung beim Beschleunigen lassen sich so etwa 20 % Treibstoff einsparen.[84] [85] [86]

Neuere Entwicklungen

Durch ihre Eigenschaft der schnellen Lade- und Entladefähigkeit (Leistungsdichte) gekoppelt mit einer guten Tieftemperatureigenschaft, großer Zuverlässigkeit, hohem Wirkungsgrad sowie Wartungsfreiheit sind Super- oder Ultrakondensatoren in den Blickpunkt der Öffentlichkeit geraten, weil sie bei den neuen Konzepten der Elektromobilität als Speicher für die Rückgewinnung von Bremsenergie sowie als Energielieferant bei Lastspitzenbedarf in Bahnen und Kraftfahrzeugen in Frage kommen. Der überaus große Markt, der hinter diesen Applikationen steckt, lässt eine ganze Reihe von Forschungs- und Entwicklungsabteilungen intensiv an Verbesserungen arbeiten [87]. Zielsetzungen sind:

  • Erhöhung der spezifischen Kapazität durch Entwicklung neuer nanostrukturierter Elektroden
  • Erhöhung der Energiedichte durch Vergrößerung der Redoxkapazität
  • Verringerung des Innenwiderstandes durch Verbesserung der Elektroden
  • Erhöhung der Leistungsdichte durch Entwicklung neuer Elektrolyte
  • Erhöhung der Spannungsfestigkeit
  • Verbesserung der chemischen Stabilität der Elektroden
  • Preiswertere Basismaterialien
  • Kostenreduzierung durch Automatisierung in der Produktion

Ein Zwischenschritt dieser Weiterentwicklungen stellen die relativ neuen Lithium-Ionen-Kondensatoren dar, die mit einer Elektrodenkombination aus Aktivkohle aus einem Doppelschichtkondensator und einer Lithium-Ionen-Elektrode aus einem Lithium-Ionen-Akkumulator arbeiten. Zur Zeit liegt die Energiedichte von Lithium-Ionen-Kondensatoren bei etwa 10 bis 15 Wh/kg.

Übertroffen wird diese Energiedichte von der Neuentwicklung eines „Nano-Hybrid-Ultrakondensators[88]. Dieser Kondensator wurde an der Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) von Professor Katsuhiko Naoi entwickelt, weist eine Energiedichte von 20 bis 30 Wh/kg auf und soll bei NCC/ECC [89] ab März 2011 in Musterstückzahlen zur Verfügung stehen.

Eine Arbeitsgruppe um J. Kassakian, J. Schindall und R. Signorelli am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat mit vertikal angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen [90] eine Energiedichte von über 60 Wh/kg mit der Lebensdauer von 300.000 Zyklen entwickelt. Sie gründeten eigens die Firma FastCap Systems [91], um diesen „Nanotube Supercapacitor“ zur Marktreife weiter zu entwickeln, was zur Zeit (2011) jedoch noch nicht erreicht ist.

Eine noch höhere Energiedichte haben Forscher um Bor Jang am US-Unternehmen Nanotek Instruments [92] erreicht. Ihr Elektrodenmaterial für den „graphene supercapacitor[46] [93] weist eine Energiedichte (ohne Gehäuse) von 85,6 Wh/kg bei Raumtemperatur auf. Das ist die zur Zeit (2011) höchste Energiedichte, die bislang in Doppelschichtkondensatoren erreicht wurde. Diese hohe Speicherdichte wurde erreicht durch Verwendung von Graphen, einer Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, die eine Oberfläche von 2675 m2/g erreicht, womit theoretisch Doppelschichtkondensatoren mit 550 F/g hergestellt werden könnten.

Die zweidimensionale Struktur der Graphenschicht verbessert außerdem das Frequenzverhalten des Graphen-Kondensators. Die Ladungsträger müssen nicht mehr tief in enge Poren hineinwandern. Vertikal orientierte Graphen-Nanoschichten, die direkt auf den Elektroden auswachsen, verringern die Zeitkonstante (C · Ri) auf < 200 µs. Das bedeutet, dass solche Kondensatoren die gleichgerichtete Netzfrequenz von 100/120 Hz effektiv filtern kann und dabei deutlich kleiner als ein vergleichbarer Niedervolt-Elektrolytkondensator ist.[94]

Einen anderen Ansatz hohe Energiedichten bei gleichzeitiger hoher Spannungsfestigkeit hat der „EESU“ genannte Hybridkondensator des US-amerikanischen Unternehmens EEStor Inc. (Austin/Texas). Dieses hält ein Patent [95] für eine Polyethylenterephthalat-Elektrode auf die Bariumtitanatpulver aufgebracht wird. Bariumtitanat ist ein Ferroelektrikum mit einer sehr hohen Permittivität und einer hohen Durchschlagsfestigkeit und wird auch als Dielektrikum für Klasse-2-Keramikkondensatoren (MLCC) verwendet. Die „EESU“-Kondensatoren sollen einen Energieinhalt von 52 kWh bei einer Masse von 152 kg haben und sollten schon 2007 mit 15 kWh-Energiespeichereinheiten mit einer Masse von weniger als 100 Pound (45 kg) für den kanadischen Elektroautohersteller ZENN Motor Company in Produktion gehen [96] Da EEStor bisher (2011) noch keine funktionierenden Prototypen präsentieren konnte, werden die Angaben EEStors derzeit stark angezweifelt.[97]

Ein ähnliches Patent hat das deutsche Unternehmen BASF 2003 eingereicht, in dem ein Hybridkondensator mit einer Energiedichte von 5500 Wh/l (19,8 MJ/l) beschrieben wird [98]. Der beschriebene Kondensator kombiniert die Vorteile der Oberflächenvergrößerung einer porösen Elektrode mit einer 0,1 µm dicken Bariumtitanat-Schicht. Die volumetrische Energiedichte des beschriebenen Kondensators, sollte er denn jemals realisiert werden können, entspricht damit mehr als 50 % der Energiedichte von Heizöl.

Neue, bisher nicht erschlossene Möglichkeiten für die weitere Erhöhung der elektrischen Energie- und Leistungsdichte resultieren aus der Nutzung von Quanteneffekten. Diese Kondensatoren, die Quantensuperkondensatoren (engl. Quantum Supercapacitor) genannt werden, weisen in ihren Elektroden sehr kleine Cluster (Nanoocluster) aus dipolaren Metalloxiden in der Rutilstruktur wie z. B. TiO2 oder TaO2 mit einer Clustergröße von bis zu etwa 30 nm auf. Die Energiespeicherung erfolgt überwiegend durch Beladen der Cluster mit Elektronen, wobei der Welle-Teilchen-Dualismus der Elektronen genutzt wird. Die Ladungswellen der Elektronen tunneln das nanostrukturierte Material und sammeln sich im Cluster, wodurch einerseits eine hohe Energiedichte und andererseits sehr schnelle Lade- und Entladezeiten erreicht werden können. Die Cluster weisen diskrete Energieniveaus auf, wodurch trotz des geringen Elektrodenabstands eine hohe Durchschlagsfestigkeit besteht. Mit Quantensuperkondensatoren können theoretisch Energiedichten von bis zu 480 Wh/kg erreicht werden.[99][42] [100][101]

Einen Weg zur Herstellung von integrierten Miniatur-Doppelschichtkondensatoren haben Forscher an der Drexel University in Philadelphia, USA, gefunden. Sie erzeugten eine dünne Karbonschicht, in die sie ein geometrisches Zick-Zack-Muster aktivierter Kohle mittels eines Verfahrens aus der Technik der Integrierten Schaltungen einbrachten. Die Grenzen des Zick-Zack-Musters bilden eine Helmholtz-Doppelschicht und können somit kapazitiv genutzt werden. Diese Miniatur-Doppelschichtkondensatoren können beispielsweise direkt auf RFID-Chips aufgebracht werden und eine Batterie ersetzen. Auch die Rückseite von Solarzellen könnte mit solchen integrierten Miniatur-Doppelschichtkondensatoren sinnvoll zur Pufferung schwankender Lichtausbeute genutzt werden.[102]

Ein Team um Dinglin Jiang von den National Institutes of Natural Sciences in Okazaki (Japan) stellte am 12. August 2011 in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein neues Material mit herausragenden Superkondensator-Eigenschaften vor. Hierbei benutzten sie eine Stoffklasse mit interessanten Eigenschaften, nämlich spezielle gerüstartig aufgebaute, mikroporöse organische Polymere. Aufgrund der Anordnungen ihrer Doppelbindungen kann sich ein Teil ihrer Elektronen in ausgedehnten Bereichen des Gerüsts frei bewegen. Daher sind solche Materialien elektrisch leitfähig. Die hohe innere Oberfläche ist wichtig für die Bildung von elektrostatischen Ladungstrennungs-Schichten in den Poren. Jiang und sein Team haben jetzt ein stickstoffhaltiges Gerüst synthetisiert, dessen Porengröße optimal ist, um Ionen rasch hinein- und hinauszulassen, eine Voraussetzung für eine schnelle Aufladung und Entladung. Die Stickstoffzentren treten zudem mit Ionen des Elektrolyten in Wechselwirkungen, die die Ansammlung von Ladungen und die Bewegung von Ionen begünstigen.[103] [104]

Markt

Der Markt für die elektrochemischen Kondensatoren wird nach Meinung eines Marktforschungsinstitutes im Jahre 2010 auf etwa 300 bis 400 Millionen € geschätzt. Der Markt weist eine jährliche Steigerungsrate von 15 bis 20 % auf.[105] Davon machen jedoch die kleineren Standard-Klasse 1-Doppelschichtkondensatoren für den Datenerhalt von RAMs und auch die etwas größeren Bauformen für Unterbrechungsfreie Stromversorgungen etwa 60 bis 70 % des Marktvolumens aus.

Interessant ist die Doppelschicht-Technologie aufgrund der hohen Wirkungsgrade, der Zyklusfestigkeit und der Möglichkeit des schnellen Laden und Entladens für die Rekuperation von Bremsenergie. Denn Im Vergleich zu einer Tankfüllung dauert das Laden von Akkus recht lange, selbst bei einem Ladedurchsatz von 10 kW würde das Aufladen des Akkus mindestens 2 Stunden benötigen. Superkondensatoren mit einer höheren Energiedichte wären deshalb geeignet, um parallel zu einem Akkumulator für die Rückgewinnung der Bremsenergie und für den kurzen Spitzenstrombedarf beim Anfahren eingesetzt zu werden. Damit rücken Super- und Ultrakondensatoren für die Zielsetzung des Umweltschutzes im Rahmen der Elektromobilität in den Fokus der Öffentlichkeit.[42]

Rechenbeispiel: Ein Mittelklasse-PKW benötigt ca. 12 kWh (10 bis 20 kWh )[106] elektrische Antriebsenergie pro 100 km Fahrt. Für diese Größenordnung müsste ein Kondensator zur Aufnahme der Bremsenergie, als Lieferant von Leistungsspitzen und für kurzen Fahrbetrieb in etwa ausgelegt sein. Um aber 12 kWh in heute verfügbaren Doppelschichtkondensatoren (6  Wh/kg) zu speichern, bräuchte man eine Kondensatormasse von 2000 kg, die eine Gesamtkapazität von 12 Millionen F hätten. (Ioxus, 5000 F, 840 g, 6 Wh/kg) [107] . Der Preis für Doppelschichtkondensatoren wurde nach Kötz [108] mit etwa 7 €/1000 F für 2002 geschätzt, nach Electronics weekly wurde dieser Preis im Jahre 2010 erreicht.[109]. Ein Kondensator mit 12 Millionen F und mit einem ein Gewicht von 2000 kg würde 2011 etwa 84.000 € (42 €/kg) kosten. Dies ist heutzutage (2011) für einen Einsatz im Kfz weder vom Gewicht noch vom Preis her vertretbar.

Wenn, wie im oberen Abschnitt beschrieben, das US-Unternehmen Nanotek Instruments mit ihrem „graphene supercapacitor“ eine Energiedichte von rund 80 Wh/kg in Superkondensatoren tatsächlich realisieren könnte, würde sich allerdings eine andere Situation ergeben. Denn bei dieser Energiedichte in solchen neuartigen Superkondensatoren wären für einen 12 kWh-Kondensator lediglich noch 150 kg Kondensatormasse erforderlich. Bliebe der Preis, bezogen auf das Gewicht, gegenüber dem heutigen Stand gleich, dann würde solch ein Kondensator „nur“ noch 6300 € kosten. Bei diesem Preis wäre der Einsatz von Superkondensatoren in PKWs schon vorstellbar. Neuentwicklungen mit einer höheren Energiedichte als bisher wären deshalb geeignet, um parallel zu einem Akkumulator für die Rückgewinnung der Bremsenergie und für den kurzen Spitzenstrombedarf beim Anfahren eingesetzt zu werden.

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  107. Ioxus, 5000 F ULTRACAPACIITOR [55]
  108. R. Kötz, Doppelschichtkondensatoren – Technik, Kosten, Perspektiven [56]
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