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Schema eines Superkondensators

Schema einer Doppelschicht. Die Stern-Schicht ist eine Kombination aus der Helmholz-Doppelschicht und der Gouy-Chapman-Doppelschicht.

Übersicht Superkondensatoren

EIN Superkondensator ist ein Kondensator mit einem außergewöhnlich hohen elektrische Kapazität von 1 bis viele Farad, aber mit relativ hohem Ableitstrom. Die maximale Spannung pro Element beträgt ca. 2,7 V. Der Superkondensator füllt die Lücke zwischen a Elektrolytkondensator und ein aufladbarer Akku. Er ist eine Weiterentwicklung des elektrischen Doppelschichtkondensators. Bei Superkondensatoren ist der Elektrolyt die leitende Verbindung zwischen zwei Elektroden, während bei Elektrolytkondensatoren der Elektrolyt die Kathode und bildet somit die zweite Elektrode. Pseudokondensatoren und Hybridsuperkondensatoren, die elektrochemische Ladungseigenschaften aufweisen, dürfen nicht mit umgekehrter Polarität verwendet werden, was eine Verwendung mit Wechselstrom ausschließt. Diese Einschränkung gilt jedoch nicht für die elektrostatischen Doppelschicht-Superkondensatoren.

Im Vergleich zu gleichgewichtigen Akkumulatoren machen Superkondensatoren nur etwa 10 % ihrer Energiedichte aus, während ihre Leistungsdichte etwa 10 bis 100 mal größer. Superkondensatoren können daher viel schneller geladen und entladen werden. Sie lassen sich zudem deutlich häufiger als Akkus mehrfach laden und entladen und eignen sich daher als Ersatz oder Ergänzung für häufiges Laden und Entladen.

Der Anwendungsbereich von Superkondensatoren reicht von der Bereitstellung sehr kleiner Ströme zur Datenerhaltung im statische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (SRAM) in elektronischen Geräten bis zum Bereich von Leistungselektronik, zum Beispiel als Speicher für elektrische Energie in einem KERS-System in Formel-1-Rennwagen, im Bremsenergie zurückgewinnen an Fahrzeugen wie Stadtbusse und Züge, im Hybridauto's oder bei a Schienenkanone.

Superkondensatoren können zwischen -50 °C und 80 °C effektiv arbeiten, wodurch sie in vielen Umgebungen eingesetzt werden können.

Im Jahr 2016 belief sich der weltweite Umsatz mit Superkondensatoren auf rund 400 Millionen US-Dollar.^[1] Der weltweite Umsatz mit Superkondensatoren soll von 2016 jährlich um 28,7 % auf 6,3 Milliarden US-Dollar bis 2022 steigen.^[2]

Bei einer fortschrittlichen Blei-Kohle-Batterie (ALC = Advanced Lead-Carbon) ist die negative Platte (Kathode) des of Blei-Säure-Batterie Kohlenstoff hinzugefügt, wodurch sozusagen ein asymmetrischer Superkondensator entsteht, der der Blei-Säure-Batterie eine verbesserte Lade- und Entladeleistung verleiht.^[3]

Technik

Das elektrische Kapazität des Superkondensators ergibt sich aus der Summe der beiden Speicherprinzipien:

• elektrostatisch Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung in Helmholtz-Doppelschichten^[4] in einem Doppelschichtkapazität.
• Elektrochemisch Speicherung elektrischer Energie durch die Faradaysches Elektrolysegesetz mit Redoxreaktionen^[5] in einem sogenannten Pseudokapazität.

In einem Hybridsuperkondensator addieren sich die Doppelschichtkapazität und die Pseudokapazität zur Gesamtkapazität.^[6] Sie haben jedoch je nach Elektrodendesign einen großen Unterschied im Beitrag zur Gesamtkapazität. Die Pseudokapazität einer geeigneten Elektrode kann beispielsweise 100 mal größer sein als die der Doppelschichtkapazität für gleiche Flächen.^[6]

Superkondensatoren sind polarisierte Bauteile, die nur mit den richtigen Polarität kann verwendet werden. Bei asymmetrischen Elektroden ist die Polarität festgelegt, bei symmetrischen Elektroden wird die Polarität jedoch bei der Herstellung mit a . festgelegt elektrische Spannung.

Schema der elektrochemischen Doppelschicht.

■Co-Ionen

■Gegenionen

1: geladene Oberfläche
2: diffuse Schicht mit hauptsächlich Gegenionen
3: Hauptteil der Lösung
4: Heckschicht.
Unten: das Potential der geladenen Oberfläche.

Für die elektrochemische Doppelschicht siehe den separaten Artikel auf der elektrochemische Doppelschicht. Einfach ausgedrückt hat eine Doppelschicht eine geladene Oberfläche, die solvatisiert zieht Ionen mit entgegengesetzter Ladung an. Nahe der Oberfläche bildet sich eine separate Schicht immobilisierter Gegenionen, die Stern-Schicht. Diese Schicht schirmt nur einen Teil der Ladung von der Oberfläche ab. Für den Rest der Abschirmung sind mobile Gegenionen verantwortlich.

Layout

Superkondensatoren werden je nach Bauform in drei verschiedene Kondensatorfamilien unterteilt:

• Doppelschichtkondensatoren, ebenfalls elektrostatische Doppelschichtkondensatoren genannt, habe Kohleelektroden oder Derivate davon mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist gering.
• Pseudokondensatoren, ebenfalls elektrochemische Kondensatoren haben Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr großen Anteil an faradayscher Pseudokapazität an der Gesamtkapazität.
• Hybridkondensatoren haben asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschichtkapazität, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität. Hybridkondensatoren umfassen die Lithium-Ionen-Kondensatoren.^[7][8][9]

Design

Grundlegende Gestaltung

Aufbau eines Superkondensators:
1 Stromquelle
2 Kollektor
3 polarisierte Elektroden
4 Helmholtz-Doppelschicht
5 Elektrolyt mit positiven und negativen Ionen
6 Trennzeichen (Dielektrikum)

Elektrochemisch Kondensatoren (Superkondensatoren) bestehen aus zwei Elektroden, die durch eine ionendurchlässige Membran (Separator oder Dielektrikum) und einem Elektrolyt, der beide Elektroden ionisch verbindet. Wenn die Elektroden durch eine angelegte Spannung polarisiert werden, bilden Ionen im Elektrolyten elektrische Doppelschichten mit einer Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Elektrode. Beispielsweise weisen positiv polarisierte Elektroden eine Schicht aus negativen Ionen an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche zusammen mit einer Schicht aus positiven Ionen auf, die an der negativen Schicht adsorbieren und die Ladung ausgleichen. Das Gegenteil geschieht mit der negativ gepolten Elektrode.

Außerdem können je nach Elektrodenmaterial und Oberflächenform einige Ionen die Doppelschicht durchdringen und zu spezifisch adsorbierten Ionen werden, die als Pseudokapazität zur Gesamtkapazität des Superkondensators beitragen.

Die Eigenschaften von Superkondensatoren werden durch die Wechselwirkung ihrer inneren Materialien bestimmt. Insbesondere die Kombination von Elektrodenmaterial und Elektrolytart bestimmt die Funktionalität sowie die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kondensatoren.

• Auch beim Betrieb eines Superkondensators treten Wärmeverluste auf, die man sich näherungsweise als in Reihe geschalteter Widerstand vorstellen kann; dieser Widerstand wird als äquivalenter Serienwiderstand (ESR) definiert und als Wechselstromwiderstand bei einer bestimmten Frequenz gemessen.

Elektrochemische oder elektrostatische Doppelschichtkapazität

Schema einer Doppelschicht. Die Stern-Schicht ist eine Kombination aus der Helmholz-Doppelschicht und der Gouy-Chapman-Doppelschicht.

Die elektrochemische Doppelschicht oder EDL ist a physikalisch-chemisch Phänomen, das um Oberflächen in Kontakt mit a auftritt Flüssigkeit in welchem Ionen wurden gelöst. Einfach ausgedrückt hat eine Doppelschicht eine geladene Oberfläche, die Ionen im Elektrolyten der gegenüberliegenden Seiten hält Ladung zieht an.

Jeder Doppelschichtkondensator verfügt über zwei durch einen Separator mechanisch getrennte Elektroden, die ionisch miteinander verbunden sind Elektrolyt. Der Elektrolyt ist eine Mischung aus positiven und negativen Ionen, die in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst sind. An jeder der beiden Elektrodenoberflächen entsteht ein Bereich, in dem der flüssige Elektrolyt mit der leitfähigen Metalloberfläche der Elektrode in Kontakt steht. Diese Schnittstelle bildet eine gemeinsame Grenze zwischen zwei verschiedenen Phasen von Materie, wie einer unlöslichen festen Elektrodenoberfläche und einem angrenzenden flüssigen Elektrolyten. An dieser Schnittstelle entsteht ein ganz besonderes Phänomen der elektrochemische Doppelschicht.^[11] Zur Erklärung dieses Phänomens wurden mehrere Hypothesen formuliert. Einige sind die Helmholtz-Doppelschicht, die Gouy-Chapman-Doppelschicht, die Stern-Schicht, die eine Kombination aus der Helmholz-Doppelschicht, der Gouy-Chapman-Doppelschicht und dem Bockris/Devanathan/Müller (BDM)-Modell ist.

• Helmholtz-Doppelschicht. Durch Anlegen einer Spannung an einen elektrochemischen Kondensator erzeugen beide Elektroden im Superkondensator elektrische Doppelschichten. Diese Doppelschichten bestehen aus zwei Ladungsschichten: Eine elektronische Schicht befindet sich in der Oberflächenstruktur der Elektrode und die andere, mit entgegengesetzter Polarität, wird durch dissoziiert und solvatisiert Ionen im Elektrolyten. Die beiden Schichten sind durch eine einzige Molekülschicht des Lösungsmittels getrennt, die innerste Schicht, die Helmholtz-Ebene (IHP). Lösungsmittelmoleküle haften durch Physisorption an der Oberfläche der Elektrode, wo die Van-der-Waals-Kräfte beteiligt sind und die entgegengesetzt polarisierten Ionen voneinander trennen. Sie können als molekulare idealisiert werden Dielektrikum. Es findet keine Ladungsübertragung zwischen Elektrode und Elektrolyt statt, daher sind die die Bindung verursachenden Kräfte keine chemischen Bindungen, sondern physikalische Kräfte (z. elektrostatisch Kräfte). Die adsorbierten Moleküle sind polarisiert, haben aber aufgrund des fehlenden Ladungstransfers zwischen Elektrolyt und Elektrode keine chemischen Veränderungen erfahren.

Die Ladungsmenge in der Elektrode entspricht der Größe der Gegenladungen in der äußeren Helmholtz-Schicht (OHP). Dieses Doppelschichtphänomen speichert elektrische Ladungen wie in einem herkömmlichen Kondensator. Die Doppelschichtladung erzeugt in der Molekülschicht der Lösungsmittelmoleküle in der inneren Helmholtz-Schicht ein statisches elektrisches Feld, das der Stärke der angelegten Spannung entspricht.

Aufbau und Funktion eines idealen Doppelschichtkondensators. Durch Anlegen einer Spannung an den Superkondensator an beiden Elektroden entsteht eine Helmholtz-Doppelschicht, die die Ionen im Elektrolyten in eine Spiegelladungsverteilung entgegengesetzter Polarität aufteilt

Die Doppelschicht dient ähnlich der dielektrischen Schicht in einem herkömmlichen Kondensator, wenn auch mit der Dicke eines einzelnen Moleküls. Zur Berechnung ihrer Kapazität kann beispielsweise die Standardformel für konventionelle Plattenkondensatoren verwendet werden:^[12]

${displaystyle C=varepsilon {frac {A}{d}}}$

Dementsprechend ist die Kapazität C größte in Kondensatoren aus hoch Dielektrizitätskonstanteε (epsilon), große Elektrodenplattenflächen ein und ein kleiner Abstand zwischen den Platten d. Daher haben Doppelschichtkondensatoren aufgrund der extrem großen Oberfläche der Aktivkohleelektroden und des extrem dünnen Doppelschichtabstands in der Größenordnung von wenigen . deutlich höhere Kapazitätswerte als herkömmliche Kondensatoren ngström (0,3-0,8 nm), die Größe des debye länge.^[8][9]

Elektrochemische Pseudokapazität

Vereinfachte Darstellung einer Helmholtz-Doppelschicht mit spezifisch adsorbierten Ionen, die ihre Ladung auf die Elektrode übertragen haben, um den faradayschen Ladungstransfer des Pseudokondensators zu erklären. Die Pseudokapazität wird von den Redoxionen gebildet.

Schema der Interkalation von Lithiumionen in a Titandisulfid Kathode. Bei der Entladung wird das Titan aus dem vierwertig in die dreiwertige Oxidationsstufe, beim Laden wird das Titan wieder oxidiert.

Durch Anlegen einer Spannung an die Klemmen des elektrochemischen Pseudokondensator Elektrolytionen werden zu der entgegengesetzt polarisierten Elektrode bewegt und eine Doppelschicht wird gebildet, in der eine einzelne Schicht von Lösungsmittelmolekülen als Separator fungiert. Pseudokapazität kann entstehen, wenn spezifisch adsorbierte Ionen aus dem Elektrolyten in die Doppelschicht eintreten. Diese Pseudokapazität speichert elektrische Energie durch reversible Faradaysche Redoxreaktionen auf der Elektrodenoberfläche eines elektrochemischen Speudokondensators.^{[6][13][14][15]} Pseudokapazität ist verbunden mit a Ladungsübertragung von a Elektron zwischen Elektrolyt und Elektrode von a solvatisiert und adsorbiert Ion. Dieser faradaysche Ladungstransfer hat seinen Ursprung in einer sehr schnellen Reihe reversibler Redoxreaktionen, Interkalation von Elektrosorption- Prozesse. Nein chemische Reaktion mit den Atomen der Elektrode an (es werden keine chemischen Bindungen gebildet)^[16], da nur eine Ladungsübertragung stattfindet.

Ein zyklisches Voltammogramm zeigt die grundlegenden Unterschiede zwischen statischer Kapazität (rechteckig) und Pseudokapazität (gebogen). (Widerstand=Elektrischer Wiederstand)

Die an den Faradayschen Prozessen beteiligten Elektronen werden zu oder von Valenzelektron Energiezustände (Orbitale) des Redoxelektrodenreagenzes. Sie gelangen zur negativen Elektrode und fließen durch den extern angelegten Stromkreis zur positiven Elektrode, wo eine zweite Doppelschicht mit einer gleichen Anzahl von Anionen gebildet wird. Die Elektronen, die über den extern angelegten Stromkreis zur positiven Elektrode gelangen, werden nicht auf die Anionen übertragen, die die Doppelschicht bilden, sondern verbleiben in den hochionisierten und "elektronenbindenden" Übergangsmetallionen auf der Oberfläche der positiven Elektrode. Als solche ist die Speicherkapazität der Faradayschen Pseudokapazität durch die endliche Größe Reagens auf der zur Verfügung stehenden Fläche.

Eine Faradaysche Pseudokapazität tritt nur zusammen mit einer statischen Doppelschichtkapazität auf und kann je nach Art und Struktur der Elektrode den Wert der Doppelschichtkapazität für dieselbe Oberfläche um den Faktor 100 überschreiten, da alle pseudokapazitiven Reaktionen nur mit desolvatisierten Ionen ablaufen , die viel kleiner als solvatisierte Ionen mit ihrer solvatisierten Hülle des Lösungsmittels sind.^[6][15] Der Betrag der Pseudokapazität hat eine lineare Funktion innerhalb enger Grenzen, die durch die potenzialabhängig Grad der Oberflächenbedeckung der adsorbierten Anionen.

Die Fähigkeit von Elektroden, Pseudokapazitätseffekte durch Redoxreaktionen, Interkalation (Interkalation ist der reversible Einschluss oder Einfügen eines Ions in einem Material mit Schichtstruktur) oder Elektroabsorption hängt stark von der chemischen Affinität der Elektrodenmaterialien für die an der Elektrodenoberfläche adsorbierten Ionen sowie von der Struktur und Größe der Elektrodenporen ab. Materialien mit Redoxverhalten können als Elektroden in Pseudokondensatoren verwendet werden. Diese sind Übergangsmetalloxide, wie Ruthenium(IV)oxid, Iridium(IV)oxid oder Mangan(IV)oxid, die von Doping in das leitfähige Elektrodenmaterial eingearbeitet sind wie Aktivkohle, sowie leitfähige Polymere, wie z. B. eine Schicht aus Polyanilin und Derivate von Polythiophen.

Es werden zwei mögliche Mechanismen des Ladungsspeicherungsverhaltens von Mangan(IV)-Oxid vorgeschlagen:

• Der erste Mechanismus beinhaltet die Interkalation von Protonen (H) oder Alkalimetallkationen (C) in der Masse des Materials nach der Reduktion gefolgt von der Deinterkalation nach der Oxidation.^[17]

MnO₂ huh(C) e⁻ ⇌ MnOOH(C)^[18]

• Der zweite Mechanismus beruht auf der Oberflächenadsorption von Elektrolytkationen an MnO₂.

(MnO₂)_Oberfläche C e⁻ ⇌ (MnO₂⁻C)_Oberfläche

Die Summe elektrische Ladung in einem Pseudokondensator gespeichert ist linear proportional zum angelegten Stromspannung. Die Einheit der Pseudokapazität ist Farad.

Potenzialverteilung

Speicherverfahren verschiedener Kondensatortypen mit ihrer internen Potentialverteilung

Veranschaulichung der Funktionsweise eines Superkondensators, des Potentialverlaufs im Superkondensator und mit vereinfachter Darstellung des zugehörigen Stromkreises

Das Spannungsverhalten von Superkondensatoren und Batterien beim Laden/Entladen unterscheidet sich deutlich. Strom (I) ist konstant.

Konventionell Kondensatoren (auch als elektrostatische Kondensatoren bekannt), wie z Keramikkondensatoren und Kondensatoren aus Plastikfolie, bestehen aus zwei Elektroden getrennt durch Dielektrikum Material. Die Leiter sind voneinander isoliert, aber in der Praxis lässt das Material im Zwischenraum (das Dielektrikum) noch einen kleinen Ableitstrom durch. In Schaltplänen wird dies durch einen großen Widerstand die parallel zum Kondensator liegt. Darüber hinaus gibt es eine Obergrenze für die Stärke des elektrischen Felds, das zwischen den Leitern eines Kondensators angelegt werden kann: die Die Spannung unterbrechen. Die Gesamtenergie steigt mit der gespeicherten Ladungsmenge, die wiederum linear mit der Potenzial (Spannung) zwischen den Platten. Die gleiche statische Speicherung gilt auch für Elektrolytkondensator, wobei der größte Teil des Potentials über die dünne Oxidschicht des van Anode, das eigentliche Dielektrikum. Das etwas resistiv flüssiger Elektrolyt (Kathode) verursacht bei "nassen" Elektrolytkondensatoren einen geringen Potentialabfall, während dieser bei Elektrolytkondensatoren mit einem festen leitfähigen Polymerelektrolyten vernachlässigbar ist.

Im Gegensatz dazu sind elektrochemische Kondensatoren (Superkondensatoren) besteht aus zwei Elektroden, die durch eine ionendurchlässige Membran (den Separator) getrennt und über einen Elektrolyten elektrisch verbunden sind. Die Energiespeicherung erfolgt innerhalb der Doppelschichten beider Elektroden als eine Mischung aus der Doppelschichtkapazität und der Pseudokapazität. Wenn beide Elektroden ungefähr gleich sind elektrischer Wiederstand und elektrische Leitung (interner DC-Widerstand) fällt das Kondensatorpotential symmetrisch über beide Doppelschichten ab, was einen Spannungsabfall am AC-Serienwiderstand (ESR) des Elektrolyten verursacht. Bei asymmetrischen Superkondensatoren wie Hybridkondensatoren könnte der Spannungsabfall zwischen den Elektroden asymmetrisch sein. Das maximale Potential am Kondensator (die maximale Spannung) wird durch die Spannung begrenzt, bei der der Elektrolyt zerfällt.

Beide elektrostatisch wenn elektrochemisch Die Energiespeicherung in Superkondensatoren ist wie in konventionellen Kondensatoren linear zur gespeicherten Ladung. Die Spannung zwischen den Kondensatoranschlüssen ist in Bezug auf die gespeicherte Energiemenge linear. Ein solcher linearer Spannungsgradient unterscheidet sich von dem von wiederaufladbaren elektrochemischen Batterien, bei denen die Spannung zwischen den Anschlüssen unabhängig von der gespeicherten Energiemenge bleibt, so dass eine relativ konstante Spannung erhalten wird.

Elektroden

Ein Mikroskopbild von Aktivkohle unter einem Lichtmikroskop. beobachten Sie die fraktal-ähnliche Form der Partikel, was ihnen eine enorme Oberfläche verleiht. Jedes Partikel in diesem Bild hat, obwohl es nur etwa 0,1 mm breit ist, eine Fläche von mehreren Quadratmetern.

Da die Porengröße die Solvatation Schale, Lösungsmittelmoleküle werden ausgeschlossen und nur unsolvatisierte Ionen füllen die Poren.

Superkondensatorelektroden weisen im Allgemeinen dünne Beschichtungen auf, die mit einem leitfähigen Metallkollektor elektrisch verbunden sind. Die Elektroden müssen eine gute Leitfähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Langzeitbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und große Oberflächen pro Volumen- und Masseeinheit aufweisen. Weitere Anforderungen sind Umweltfreundlichkeit und geringe Kosten.

Sowohl die Anzahl der Doppelschichten als auch die pro Einheitsspannung in einem Superkondensator gespeicherte Pseudokapazität hängen hauptsächlich von der Elektrodenfläche ab. Daher bestehen Superkondensatorelektroden in der Regel aus porösem, schwammartigem Material mit einem extrem hohen spezifische Oberfläche, Wie mit Aktivkohle. Außerdem verbessert die Fähigkeit des Elektrodenmaterials, Faradaysche Ladungstransfers durchzuführen, die Gesamtkapazität.

Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Poren der Elektrode, desto größer die Kapazität und Energiedichte. Kleinere Poren erhöhen jedoch die innere AC-Widerstand (ESR) und senken Sie den Leistungsdichte. Anwendungen mit hohen Spitzenströmen erfordern größere Poren und geringe interne Verluste, während Anwendungen hohe Energiedichten erfordern, brauchen kleine Poren. (Kondensatoren, wie sie in elektrischen Schaltungen verwendet werden, sind Bauteile, bei denen nicht nur die Kapazität eine Rolle spielt. Auch im Betrieb treten Wärmeverluste auf, die sich näherungsweise als in Reihe geschalteter Widerstand darstellen lassen; dieser Widerstand ist definiert als der äquivalenter Serienwiderstand (ESR) und gemessen als Wechselstromwiderstand bei einer bestimmten Frequenz.)

Das am häufigsten verwendete Elektrodenmaterial für Superkondensatoren ist Kohlenstoff in verschiedenen Formen wie z Aktivkohle (AC), Kohlefasergewebe (AFC), Hartmetall-abgeleiteter Kohlenstoff (CDC), KohlenstoffAerogel, Graphit (Graphen), Graphan^[19] und Kohlenstoff-Nanoröhren. (CNT)^[13][20][21]

Elektroden auf Kohlenstoffbasis weisen überwiegend eine statische Doppelschichtkapazität auf, obwohl in Abhängigkeit von der Porengrößenverteilung auch eine geringe Pseudokapazität vorhanden sein kann. Porengrößen in Kohlenstoff reichen typischerweise von Mikroporen (weniger als 2 nm) bis zu Mesoporen (2-50 .).nm),^[22] aber nur Mikroporen (<2 nm) tragen zur Pseudokapazität bei. Da die Porengröße die Solvatation (die Solvathülle um ein Ion ist das Gesamtvolumen, das das Ion und der Raum der es umgebenden Lösungsmittelmoleküle bilden), Lösungsmittelmoleküle werden ausgeschlossen und nur unsolvatisierte Ionen füllen die Poren (auch bei großen Ionen) und verlassen die Ionenpackung Dichte und Speicherkapazität erhöhen sich um Faraday Wasserstoff-Interkalation (Interkalation ist der reversible Einschluss oder Einfügen eines Ions in einem Material mit Schichtstruktur.)^[13]

Elektroden für Doppelschichtkondensatoren

• Aktivkohle war das erste Material, das für Superkondensatorelektroden verwendet wurde. Obwohl die elektrische Leitfähigkeit etwa 0,003% der von Metallen beträgt (spezifische Leitfähigkeit verschiedener Materialien beträgt 1250 bis 2000 S/m), für Superkondensatoren ausreichend.^[14][9]

Aktivkohle ist eine extrem poröse Form von Kohle mit einem hohen spezifische Oberfläche - eine allgemeine Näherung ist, dass 1 Gramm eine Oberfläche von etwa 1000 bis 3000 m . hat^2[20][22] Die am häufigsten verwendete Form in Elektroden hat eine geringe Dichte mit vielen Poren, was eine hohe Doppelschichtkapazität ergibt.

Feste Aktivkohle, auch genannt konsolidiert amorpher Kohlenstoff (CAC) ist es das am häufigsten verwendete Elektrodenmaterial für Superkondensatoren und kann billiger sein als andere Kohlenstoffderivate.^[23] Es besteht aus Aktivkohlepulver, das in die gewünschte Form gepresst wurde und einen Block mit einer breiten Verteilung der Porengrößen bildet. Eine Elektrode mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 1000 m²/g ergibt eine typische Doppelschichtkapazität von etwa 10 F/cm² und eine spezifische Kapazität von 100 F/g.

• Aktivkohlefaser (ACF) bestehen aus Aktivkohle und haben einen Durchmesser von 10 ich. Sie können Mikroporen mit einem sehr engen Porengrößenbereich aufweisen, die leicht kontrolliert werden können. Die Oberfläche der gewebten Aktivkohlefaser beträgt etwa 2500 m²/G. Vorteile dieser Elektroden sind ein geringer elektrischer Widerstand entlang der Längsachse der Faser und ein guter Kontakt zum Kollektor.^[20] Aktivkohlefaserelektroden weisen aufgrund ihrer Mikroporen überwiegend Doppelschichtkapazitäten mit einer geringen Pseudokapazität auf.

Ein Block Silica-Aerogel in der Hand

• Carbon-Aerogel ist ein hochporöses, synthetisches, ultraleichtes Material, das aus einem organischen GelVerfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Komponente durch ein Gas ersetzt ist.

Carbon-Aerogel-Elektroden werden mit Pyrolyse von Resorcin-Formaldehyd Aerogele^[24] und sind leitfähiger als die meisten Aktivkohlen. Sie ermöglichen dünne und mechanisch stabile Elektroden mit einer Dicke von mehreren hundert Mikrometer (μm) und eine einheitliche Porengröße. Carbon-Aerogel-Elektroden verleihen Superkondensatoren, die in Umgebungen mit hohen Vibrationen verwendet werden, auch mechanische Stabilität und Vibrationsstabilität.

Forscher haben eine Kohlenstoff-Aerog-Elektrode mit gravimetrisch Dichten von ca. 400–1200 m²/g und einer volumetrischen Kapazität von 104 F/cm³, jetzt sofort Energiedichte von 25 kJ/kg (90 Wh/kg) und einer Leistungsdichte von 20 W/g.^[25][26]

Standard-Kohlenstoff-Aerogel-Elektroden haben hauptsächlich eine Doppelschichtkapazität. Kohlenstoff-Aerogel-Elektroden mit a zusammengesetzt kann zusätzlich zur Doppelschichtkapazität auch eine große Pseudokapazität aufweisen.^[27]

Porengrößenverteilung verschiedener Karbide Vorläufer

• Karbid-abgeleiteter Kohlenstoff (CDC), auch bekannt als abstimmbarer nanoporöser Kohlenstoff, ist eine Familie von Kohlenstoffmaterialien, die von HartmetallVorläufer, wie binär Siliziumkarbid und Titankarbid, die zum Beispiel durch Thermolyse oder Halogenierung in reinen Kohlenstoff umgewandelt.^[28][29]

Karbid-abgeleiteter Kohlenstoff kann eine große Oberfläche und einstellbare Porendurchmesser (von Mikroporen zu Mesoporen) aufweisen, um die Ioneneinschließung zu maximieren, wodurch die Pseudokapazität durch die Faradaysche Dihydrogenadsorptionsbehandlung erhöht wird. Karbid-abgeleitete Kohleelektroden mit kundenspezifischem Porendesign bieten bis zu 75 % mehr Energiedichte als herkömmliche Aktivkohlen.

Ab 2015 gibt es Karbid-abgeleitete Kohlenstoff-Superkondensatoren mit einer Energiedichte von 10,1 Wh/kg, einer Kapazität von 3.500 F und mit über einer Million Lade-Entlade-Zyklen.^[30]

• Graphen besteht aus einer ein Atom dicken Schicht Graphit, wo die Atome in einem regelmäßigen hexagonalen Muster angeordnet sind,^[31][32] und wird auch "Nanokompositpapier" genannt.^[33]

Struktur von Graphen

Graphen hat eine theoretische spezifische Oberfläche von 2630 m²/g, was theoretisch zu einer Kapazität von 550 F/g führen könnte. Ein Vorteil von Graphen gegenüber Aktivkohle ist zudem seine höhere elektrische Leitfähigkeit. Ab 2012 wird Graphenpapier von der Ware verwendet spezifische Leitfähigkeit in tragbaren Geräten als Superkondensator mit nur einer Elektrode und damit ohne Kollektoren verwendet.^[34][35]

In einer Ausführungsform von Graphen enthält der Superkondensator gekrümmte, nicht aneinandergrenzende Graphenschichten, die Mesoporen bilden, die bei Spannungen von bis zu 4 V durch ionische Elektrolyte zugänglich und benetzbar sind. Energiedichte von 85,6 Wh/kg (308 kJ/kg), vergleichbar mit einem konventionellen that Nickel-Metallhydrid-Akku, aber mit 100-1000 mal größer Leistungsdichte.^[36][37]

Die zweidimensionale Struktur von Graphen verbessert das Laden und Entladen. Ladungsträger in vertikal ausgerichteten Schichten können schnell in oder aus den tieferen Strukturen der Elektrode wandern und den Strom erhöhen. Solche Kondensatoren können für 100/120 ausgelegt seinHzFilteranwendungen, die bei Superkondensatoren mit anderen Kohlenstoffmaterialien nicht möglich sind.^[38]

• EIN Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist eine gewickelte Graphenplatte, ein atomdickes, innen hohles Blatt, dessen Länge das Zehntausendfache seines Durchmessers betragen kann.

EIN rastertunnelmikroskopisch (STM)-Bild einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre

EIN Rasterelektronenmikroskop (REM) Aufnahme eines Bündels von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Oberfläche von ca. 1500 m/g

Die Graphenblätter sind unter bestimmten und verdrehten ("chiralen") Winkeln gewickelt. Die Kombination aus Chiralitätswinkel und Dicke bestimmt die Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhrchen, wie elektrische Leitfähigkeit, Benetzbarkeit durch Elektrolyte und Ionenzugang. Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden klassifiziert nach:

• einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) oder
• mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNTs).

Letztere haben eine oder mehrere äußere Röhren, die nacheinander eine einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umhüllen, ähnlich wie die russischen Matroschkas. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben einen Durchmesser zwischen 1 und 3 nm. Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen aus mehreren Lagen gewendelten Graphens und haben einen größeren Durchmesser als einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, typischerweise etwa 5-100 nm. Der Abstand zwischen zwei Schichten in einer mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhre ist ungefähr gleich dem Abstand zwischen zwei Graphenschichten in Graphit: etwa 0,33 nm.

Kohlenstoffnanoröhren können vertikal auf dem Kollektorsubstrat wachsen, wie a Siliziumwafer. Typische Längen sind 20 bis 100 mµ.^[39]

Durch die sehr gute Benetzung der Oberfläche durch den Elektrolyten und die hohe Leitfähigkeit können Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Leistung des Superkondensators deutlich verbessern.^[40][41]

An der University of Delaware in der Gruppe von Prof. Bingqing Wei wurde ein einwandiger Superkondensator auf Carbon-Nanotube-Basis mit einem wässrigen Elektrolyten systematisch untersucht. Li et al., die zum ersten Mal entdeckten, dass Ionengröße und Elektroden-Elektrolyt-Benetzbarkeit die dominanten Faktoren sind, die das elektrochemische Verhalten flexibler einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Superkondensatoren beeinflussen. Sie verwendeten verschiedene 1 molare wässrige Elektrolyte mit unterschiedlichen Anionen und Kationen. De experimentele resultaten lieten ook zien dat bij flexibele supercondensatoren het erop lijkt dat er voldoende druk tussen de twee elektroden moet worden uitgeoefend om de waterige elektrolyt-koolstofnanobuis-supercondensator beter te laten werken.^[42]

Koolstofnanobuizen kunnen per oppervlakte-eenheid ongeveer dezelfde lading opslaan als actieve kool, maar doordat het oppervlak van koolstofnanobuizen gerangschikt is in een regelmatig patroon, wordt een grotere bevochtigbaarheid verkregen. Vergeleken met een theoretisch maximalen elektrodenoppervlakte van actieve kool (3000 m²/g) hebben enkelwandige koolstofnanobuizen slechts een theoretisch specifiek oppervlak van ongeveer 1315 m²/g, terwijl dat voor meerwandige koolstofnanobuizen lager is en wordt bepaald door de diameter van de buizen en het aantal grafeenlagen. Niettemin hebben enkelwandige koolstofnanobuizen een hogere capaciteit dan actieve koolstofelektroden, bijv. 102 F/g voor de meerwandige koolstofnanobuizen en 180 F/g voor de enkelwandige koolstofnanobuizen.^[43]

Meerwandige koolstofnanobuizen hebben mesoporiën, die op de interface tussen elektrode en elektrolyt een gemakkelijke toegang van ionen mogelijk maken. Naarmate de poriëngrootte de afmeting van de ionensolvatieschil nadert, worden de oplosmiddelmoleculen gedeeltelijk afgestript, hetgeen resulteert in een grotere ionenpakkingsdichtheid en wordt de faradaïsche vermogensdichtheid verhoogd. De aanzienlijke volumeverandering tijdens herhaalde intercalatie (reversibele insluiting of insertie van een ion) en uitputting vermindert echter hun mechanische stabiliteit.^[40][44][45]

Elektroden voor pseudocondensatoren

Pseudocondensatoren hebben elektroden gemaakt van metaaloxiden, die tot de overgangsmetalen behoren, of van geleidende polymeren en hebben een zeer groot aandeel faradaïsche-pseudocapaciteit in de totale capaciteit. Mangaan(IV)oxide en ruthenium(IV)oxide zijn typische materialen die worden gebruikt als elektroden voor deze supercondensatoren, omdat ze de elektrochemische eigenschappen hebben van een capacitieve elektrode (lineaire afhankelijkheid van stroom versus spanningskromme) en faradaïschgedrag vertonen. Bovendien is de ladingopslag afkomstig van elektronenoverdrachtmechanismen in plaats van accumulatie van ionen in de elektrochemische dubbellaag. Pseudocapaciteiten worden verkregen door faradaïsche redoxreacties, die plaatsvinden binnen de actieve elektrodematerialen. Meer onderzoek is gericht op overgangsmetaaloxiden zoals mangaan(IV)oxide, omdat overgangsmetaaloxiden lagere kosten hebben in vergelijking met edelmetaaloxiden zoals ruthenium(IV)oxide. Bovendien zijn de ladingopslagmechanismen van overgangsmetaaloxiden voornamelijk gebaseerd op pseudocapaciteit.

Niet elk materiaal dat faradaïsch gedrag vertoont, kan worden gebruikt als een elektrode voor pseudocapaciteiten, zoals nikkel(II)hydroxide (Ni(OH)₂), omdat het een elektrode van het batterijtype is met niet-lineaire afhankelijkheid van stroom versus spanningskromme.^[46]

• Metaaloxiden van metalen, die tot de overgangsmetalen behoren, hebben de elektrochemische eigenschappen van een capacitieve elektrode en vertonen faradaïsch gedrag. Bovendien is de ladingopslag afkomstig van elektronenoverdrachtmechanismen in plaats van accumulatie van ionen in de elektrochemische dubbellaag.

In Brian Evans Conways onderzoek^[6][47] worden elektroden van overgangsmetaaloxiden beschreven, die grote hoeveelheden pseudocapaciteit vertoonden. Oxiden van overgangsmetalen, waaronder ruthenium(IV)oxide, iridium(IV)oxide, zwart ijzeroxide (Fe₃O₄), mangaan(IV)oxide of sulfiden zoals titaniumsulfide (TiS₂) alleen of in combinatie genereren sterke faradaïsche elektronenoverdragende reacties in combinatie met een lage weerstand.^[48] Het rutheniumdioxide in combinatie met een zwavelzuur-elektrolyt geeft een specifieke capaciteit van 720 F/g en een hoge energiedichtheid van 26,7 Wh/kg (96,12 kJ/kg).^[49]

Opladen/ontladen vindt plaats met ongeveer 1,2 volt per elektrode. De pseudocapaciteit van ongeveer 720 F/g is ongeveer 100 keer zo hoog als die van de dubbellaagcapaciteit bij actieve koolstofelektroden. Deze overgangsmetaalelektroden bieden uitstekende omkeerbaarheid met verscheidene honderdduizende oplaad/ontlaad cycli. Ruthenium is echter duur en de 2,4 V voor deze condensator beperkt hun toepassingen tot militaire en ruimtetoepassingen. Das et al. rapporteerden de hoogste capaciteitswaarde (1715 F/g) voor een op rutheniumoxide gebaseerde supercondensator met elektrisch afgezet rutheniumoxide op poreuze enkelwandige koolstofnanobuisjes.^[50] De specifieke capaciteit van 1715 F/g benadert dicht de voorspelde theoretische maximale ruthenium(IV)oxide-capaciteit van 2000 F/g.

In 2014 leverde een ruthenium(IV)oxide supercondensator met een grafeenschuim-elektrode een specifieke capaciteit van 502,78 F/g en een oppervlaktecapaciteit van 1,11 F/cm²), wat een energiedichtheid gaf van 39,28 Wh/kg en een vermogensdichtheid van 128,01 kW/kg over 8000 cycli met constante prestaties. De supercondensator bestond uit een driedimensionale (3D) sub-5 nm waterig ruthenium afgezet op grafeen- en koolstofnanobuishybride- schuim (RGM). Het grafeenschuim werd bedekt met hybride netwerken van ruthenium(IV)oxide nanodeeltjes en vastgezet op koolstofnanobuizen.^[51][52]

• Geleidende polymeren worden op elektroden gebruikt als pseudocapacitiefmateriaal. Hoewel mechanisch zwak, hebben geleidende polymeren een hoge soortelijke geleidbaarheid, wat resulteert in een lage verliesweerstand en een relatief hoge capaciteit. Dergelijke geleidende polymeren zijn polyaniline, polythiofeen, polypyrrool en polyacetyleen. Bij dergelijke elektroden wordt ook gebruik gemaakt van elektrochemische dotering of dedotering van de polymeren met anionen en kationen. Elektroden gemaakt van of gecoat met geleidende polymeren kosten evenveel als koolstofelektroden.

Geleidende polymeerelektroden hebben over het algemeen te kampen met een beperkte cyclusstabiliteit.^[53] Hoewel polyaceen-elektroden maximaal 10.000 cycli bieden, zijn ze veel beter dan batterijen.^[54]

Elektroden voor hybride condensatoren

Alle commerciële hybride supercondensatoren zijn asymmetrisch. Ze combineren een elektrode met een grote hoeveelheid pseudocapaciteit met een elektrode met een grote hoeveelheid dubbellaagcapaciteit. In dergelijke systemen levert de faradaïsche pseudocapaciteits-elektrode met hun hogere capaciteit een hoge energiedichtheid, terwijl de niet faradaïsche dubbellaagcondensator elektrode een hoog vermogensdichtheid mogelijk maakt. Een voordeel van de supercondensatoren van het hybride type in vergelijking met symmetrische dubbellaagcondensatoren is hun hogere specifieke capaciteitswaarde evenals hun hogere nominale spanning en overeenkomstig hun hogere energiedichtheid.^[55]

• Composietelektroden voor supercondensatoren van het hybride type zijn gemaakt uit materiaal op koolstofbasis met daarin opgenomen of afgezette pseudocapacitief actieve materialen zoals metaaloxiden en geleidende polymeren. Vanaf 2013 gebeurt het meeste onderzoek aan supercondensatoren met composietelektroden.

Opgeladen lithium-ion-condensator met de lithiumatomen tussen de koolstoflagen

Koolstofnanobuizen geven de basis voor een homogene verdeling van metaaloxide of elektrisch geleidende polymeren, waardoor een goede pseudocapaciteit en een goede dubbellaagscapaciteit wordt verkregen. Deze elektroden hebben hogere capaciteiten dan wel elektroden met zuivere koolstof, zuivere metaaloxide of met een polymeer. Dit wordt toegeschreven aan de toegankelijkheid van de door elkaar liggende nanobuizen, die een uniforme coating van pseudocapacitieve materialen en een driedimensionale ladingsverdeling mogelijk maakt. Het proces om pseudocapacitieve materialen af te zetten, maakt meestal gebruik van een hydrothermisch proces. Li et al., van de Universiteit van Delaware vonden echter een gemakkelijke en schaalbare manier om mangaan(IV)oxide neer te slaan op een enkelwandige nanobuis voor het maken van een op een organisch elektrolyt gebaseerde supercondensator.^[56]

Een andere manier om koolstofnanobuis-elektroden te verbeteren is door ze te doteren met een pseudocapacitieve doteerstof zoals in lithium-ion-condensatoren. In dit geval gaan de relatief kleine lithiumatomen tussen de koolstoflagen zitten.^[57] De anode is gemaakt van met lithium gedoteerde koolstof, die een lager negatief potentiaal mogelijk maakt en een kathode van actieve kool. Dit resulteert in een grotere spanning van 3,8-4 V die oxidatie van de elektrolyt voorkomt. Vanaf 2007 is er een capaciteit bereikt van 550 F/g.^[58] en een energiedichtheid tot 14 Wh/kg (50,4 kJ/kg).^[59]

• Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) nanocrystal electrode is een nanokristallijne composiet. Oplaadbare elektroden voor nieuwe accumulatoren beïnvloedden de ontwikkeling van elektroden voor nieuwe supercondensatorelektroden van het hybride type zoals die voor lithium-ion-condensatoren met lithium gedoteerde elektroden. De nieuwe supercondensator wordt een nanohybride genoemd.^[60] Samen met een koolstofelektrode in een asymmetrische constructie biedt deze configuratie een hogere energiedichtheid, een hogere vermogensdichtheid, een langere levensduur en sneller op- en ontladen dan typische dubbellaagcondensatoren. Deze nanohybride condensator heeft een zeer hoge blijvende capaciteit van 80 mAh/g bij een extreem hoge ontlaadstroom van 1200 C (C-factor). Dit betekent dat de condensator in 3 seconden met zijn maximale stroom ontladen en opgeladen kan worden. (${displaystyle C={frac {I_{ ext{max}}}{C_{ ext{N}}}}}$)

Elektrolyten

Schema van een dubbellaag. De Sternlaag is een combinatie van de Helmholzdubbellaag en de Gouy-Chapmandubbellaag.

Electrolyten bestaan uit een oplosmiddel en opgelostechemicaliën die dissociëren in positieve kationen en negatieve anionen, waardoor de elektrolyt elektrisch geleidend wordt. Hoe meer ionen de elektrolyt bevat, hoe beter de geleidbaarheid. In supercondensatoren zijn elektrolyten de elektrisch geleidende verbinding tussen de twee elektroden. Bovendien levert de elektrolyt in supercondensatoren de moleculen voor de scheidende monolaag in de Helmholtz-dubbellaag en levert de ionen voor de pseudocapaciteit.

De elektrolyt bepaalt de karakteristieken van de condensator: de bedrijfsspanning, het temperatuurbereik, de interne AC-weerstand (ESR) en de capaciteit. Met dezelfde actieve koolstofelektrode bereikt een waterig elektrolyt capaciteitswaarden van 160 F/g, terwijl een elektrolyt met een organisch oplosmiddel slechts 100 F/g bereikt.^[61]

De elektrolyt moet chemisch inert zijn en de andere materialen in de condensator chemisch niet aantasten om een langdurig stabiel gedrag van de elektrische eigenschappen van de condensator te garanderen. De viscositeit van de elektrolyt moet laag genoeg zijn om de poreuze, sponsachtige structuur van de elektroden te kunnen bevochtigen. Een ideale elektrolyt bestaat niet. Het blijft een compromis tussen de prestaties en de andere vereisten.

• Bij een waterig elektrolyt bestaat het oplosmiddel uit water. In water lossen anorganische stoffen gemakkelijk op. Water met daarin zuren zoals zwavelzuur (H₂SO₄), basen zoals kaliumhydroxide (KOH) of zouten zoals quaternair fosfoniumzout, natriumperchloraat (NaClO₄), lithiumperchloraat (LiClO₄) of lithiumhexafluoride-arsenaat (LiAsF₆) heeft een relatief hoge geleidbaarheid van ongeveer 100 tot 1000 mS/cm. Waterige elektrolyten hebben een dissociatiespanning van 1,15 V per elektrode (2,3 V condensatorspanning) en een relatief laag bedrijfstemperatuur bereik. Ze worden gebruikt in supercondensatoren met een lage energiedichtheid en een hoge vermogensdichtheid.
• Bij een organisch elektrolyt bestaat het oplosmiddel uit organische oplosmiddelen zoals acetonitril, propyleencarbonaat, tetrahydrofuraan, di-ethylcarbonaat, gamma-butyrolacton en uit quaternair ammoniumzouten of alkylammoniumzouten zoals tetraethylammonium, tetrafluorboraat (N(Et)₃BF₄, (Et=ethyl))^[62]) of triethyl-(methyl)-tetrafluoroboraat NMe(Et)₃BF₄) zijn duurder dan waterige elektrolyten, maar ze hebben een hogere dissociatiespanning van typisch 1,35 V per elektrode (2,7 V condensatorspanning) en een hoger temperatuurbereik. De lagere elektrische geleidbaarheid van organische oplosmiddelen (10 tot 60 mS/cm) leidt tot een lagere vermogensdichtheid, maar omdat de energiedichtheid toeneemt met het kwadraat van de spanning, een hogere energiedichtheid.

• Verschillende alternatieve elektrolyten worden onderzocht die een groter spanningsbereik mogelijk maken en zo de energiedichtheid van de supercondensator vergroten. Ionische vloeistof, supergeconcentreerde elektrolyten en geleidende polymeren zijn de belangrijkste stoffen van onderzoek.^[63]

Collectoren en behuizing

De collectoren verbinden de elektroden met de aansluitingen op de condensator. De collector wordt op de elektrode gespoten of is een metaalfolie. Ze moeten piekstromen van maximaal 100 A aankunnen.

Als de behuizing is gemaakt van een metaal (meestal van aluminium), moeten de collectoren van hetzelfde materiaal zijn gemaakt om te voorkomen dat ze een corrosieve galvanische cel vormen.

Separatoren (diëlektrica)

Separatoren (diëlektrica) moeten de twee elektroden fysiek scheiden om een kortsluiting door direct contact te voorkomen. De separator kan heel dun zijn (enkele honderdsten millimeters) en moet erg poreus zijn voor de geleidende ionen om de interne AC-weerstand (ESR) zo klein mogelijk te laten zijn. Bovendien moeten separatoren chemisch inert zijn ter bescherming van de stabiliteit en geleidbaarheid van de elektrolyt. Goedkope supercondensatoren gebruiken open condensatorpapier. Meer geavanceerde supercondensatoren maken gebruik van vlies, poreuze polymeerfilms zoals acrylvezel of Kapton (poly-oxydiphenylene-pyromellitimide), geweven glasvezels of poreuze, geweven, keramische vezels.^[64][65] Ook lucht, mica, bariumtitanaat, glas, aluminiumoxide en tantaaloxide woren als separator gebruikt.

Elektrische parameters

Capaciteit

Schematische weergave van het capaciteitsgedrag als gevolg van de poreuze structuur van de elektroden

Gelijkwaardig circuit met trapsgewijze RC-elementen

Frequentie afhankelijk van de capaciteitswaarde van een 50 F supercapacitor

Capaciteitswaarden voor commerciële condensatoren worden opgegeven als "nominale capaciteit C_R". Dit is de waarde waarvoor de condensator is ontworpen. De waarde voor een daadwerkelijk onderdeel moet binnen de grenzen liggen die wordt opgegeven met de opgegeven tolerantie. Typische waarden liggen in het bereik van farads (F), drie tot zes ordes van grootte keer groter dan die van elektrolytische condensatoren.

De capaciteitswaarde is het resultaat van de energie ${displaystyle W}$ (uitgedrukt in joule) van een geladen condensator die is geladen via een gelijkspanningV_DC.

${displaystyle W={ frac {1}{2}}cdot C_{ ext{DC}}cdot V_{ ext{DC}}^{2}}$

Deze waarde wordt ook wel de DC-capaciteit genoemd.

• Doormeten

Conventionele condensatoren worden normaal doorgemeten met een kleine wisselspanning (0,5 V) en een frequentie van 100 Hz of 1 kHz, afhankelijk van het type condensator. De AC-capaciteitsmeting biedt snelle resultaten, belangrijk voor industriële productielijnen. De capaciteitswaarde van een supercondensator hangt sterk af van de meetfrequentie, die gerelateerd is aan de poreuze elektrodestructuur en de beperkte ionenmobiliteit in de elektrolyt. Zelfs bij een lage frequentie van 10 Hz, daalt de gemeten capaciteitswaarde van 100 tot 20 procent van de gelijkstroom-capaciteitswaarde.

Deze buitengewoon sterke frequentieafhankelijkheid kan worden verklaard door de verschillende afstanden die de ionen in de poriën van de elektrode moeten bewegen. Het gebied aan het begin van de poriën is gemakkelijk toegankelijk voor de ionen. De korte afstand gaat gepaard met een lage elektrische weerstand. Hoe groter de afstand die de ionen moeten overbruggen, hoe hoger de weerstand. Dit fenomeen kan worden beschreven met een serieschakeling van trapsgewijze RC (weerstand/condensator) elementen met seriële RC tijdconstanten. Deze resulteren in een vertraagde stroomsterkte, waardoor het totale elektrodeoppervlak dat kan worden bedekt met ionen wordt verminderd als de polariteit verandert - de capaciteit neemt af met de toenemende wisselstroomfrequentie. Dus de totale capaciteit wordt pas bereikt na langere meettijden.

Illustratie van de meetvoorwaarden voor het meten van de capaciteit van supercondensatoren

Vanwege van de zeer sterke frequentieafhankelijkheid van de capaciteit moet deze elektrische parameter worden gemeten met een speciale constante stroomlading en ontlading, gedefinieerd in de IEC-normen 62391-1 en -2.

De meting start met het opladen van de condensator. De spanning moet er worden opgezet en nadat de constante stroom/constante stroomsterkte de nominale spanning heeft bereikt, moet de condensator gedurende 30 minuten worden opgeladen. Vervolgens moet de condensator worden ontladen met een constante ontlaadstroom I_ontlading. Dan de tijd t₁ en t₂, die modig is voor het laten dalen van de spanning van 80% (V₁) naar 40% (V₂) van de nominale spanning wordt gemeten. De capaciteitswaarde wordt berekend als:

${displaystyle C_{ ext{total}}=I_{ ext{discharge}}cdot {frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}}$

De waarde van de ontlaadstroom hangt af van waarvoor de supercondensator wordt gebruikt. De IEC-standaard definieert vier klassen:

1. Geheugenback-up, ontlaadstroom in mA = 1 · C (F)
2. Energieopslag, ontlaadstroom in mA = 0,4 · C (F) · V (V)
3. Vermogen, ontlaadstroom in mA = 4 · C (F) · V (V)
4. Momentane vermogen, ontlaadstroom in mA = 40 · C (F) · V (V)

• Capaciteit en gevoeligheid voor de bedrijfsspanning en temperatuur

Gemeten capaciteit tegenover een bedrijfsspanning van een dubbellaagcondensator

De eigenschappen van een supercondensator, zoals de initiële weerstand van de capaciteit en de weerstand in stabiele toestand, zijn niet constant, maar zijn variabel en afhankelijk van de bedrijfsspanning van de supercondensator. De capaciteit van de supercondensator zal een meetbare toename hebben naarmate de bedrijfsspanning toeneemt. Bijvoorbeeld: een 100F-supercondensator kan 26% afwijken van zijn maximale capaciteit over het gehele operationele spanningsbereik. Eenzelfde afhankelijkheid van de bedrijfsspanning treedt in de weerstand in rusttoestand op (R _ss) en in de beginweerstand (R_i).^[66]

Supercondensatoreigenschappen zijn ook afhankelijk van de supercondensatortemperatuur. Naarmate de temperatuur van de supercondensator verandert door zijn werking of door de omgevingstemperaturen zullen ook de interne eigenschappen, zoals capaciteit en weerstand veranderen. Zo neemt de capaciteit van de supercondensator toe naarmate de bedrijfstemperatuur toeneemt.^[66]

• Capaciteitsverdeling

De twee elektroden vormen twee aparte in serie geschakelde condensatoren C₁ en C₂. De totale capaciteit C_totaal is af te leiden met de formule

${displaystyle C_{ ext{totaal}}={frac {C_{1}cdot C_{2}}{C_{1} C_{2}}}}$

Supercondensatoren hebben symmetrische of asymmetrische elektroden. Bij symmetrische elektroden hebben beide elektroden dezelfde capaciteit, hetgeen een totale capaciteit geeft van de helft van elke elektrode (als C₁=C₂, dan is C_totaal=½C₁). Bij asymmetrisch condensatoren is de totale capaciteit die van de elektrode met de kleinste capaciteit (als C₁ >> C₂, dan is C_totaal≈C₂).

Bedrijfsspanning

Een supercondensator van 5,5 volt is opgebouwd uit twee afzonderlijke cellen, elk geschat op ten minste 2,75 volt, in serieschakeling.

Supercondensatoren zijn laagspanningscomponenten. Voor een veilige werking moet de spanning binnen de gespecificeerde limieten blijven. De nominale spanning U_R is de maximale gelijkspanning of piekpulsspanning die continu kan worden toegepast en binnen het gespecificeerde temperatuurbereik blijft. Condensatoren mogen nooit worden blootgesteld aan spanningen die continu hoger zijn dan de nominale spanning.

De nominale spanning omvat een veiligheidsmarge tegen de doorslagspanning van de elektrolyt. Dat is de spanning waarbij de elektrolyt ontleedt. De doorslagspanning ontleedt de scheidende oplosmiddelmoleculen in de Helmholtz-dubbellaag, water splitst zich dan in waterstof en zuurstof. De oplosmiddelmoleculen kunnen dan de elektrische ladingen niet van elkaar scheiden. Hogere spanningen dan de nominale spanning veroorzaken waterstofgasvorming of kortsluiting.

Standaard supercondensatoren met een waterig elektrolyt worden normaal gespecificeerd met een nominale spanning van 2,1 tot 2,3 V en die met organische oplosmiddelen met 2,5 tot 2,7 V. een lithium-ion-condensator met gedoteerde elektroden kan een nominale spanning van 3,8 tot 4 V bereiken en een lagere spanningslimiet van ongeveer 2,2 V hebben.

Het gebruik van supercondensatoren onder de nominale spanning verbetert het gedrag van de elektrische parameters op lange termijn. Capaciteitswaarden en interne AC-weerstand (ESR) van de laad- en ontlaadcycli zijn stabieler, waardoor het aantal laad- en ontlaadcycli kan worden verhoogd.

Voor het verkrijgen van hogere gebruiksspanningen moeten de cellen in serie geschakeld worden. Aangezien elke cel een klein verschil in capaciteitswaarde en interne AC-weerstand (ESR) heeft, is het noodzakelijk om deze actief of passief in evenwicht te brengen voor het stabiliseren van de spanning. Passieve balancering maakt gebruik van met de supercondensator parallel geschakelde weerstanden. Actief balanceren kan een elektronisch spanningsbeheer omvatten, die de stroom binnen de drempelwaarden houdt.

Interne DC-weerstand

De interne gelijkstroomweerstand kan worden berekend uit de spanningsval, die wordt verkregen op het snijpunt van de met een hulplijn verlengde schuine spanningslijn en de verticale lijn vanaf de tijd-as op het moment dat de ontlading begint.

Het laden/ontladen van een supercondensator is verbonden met de beweging van ladingsdragers (ionen) in de elektrolyt over de separator (diëlektricum) naar de elektroden en in hun poreuze structuur. Verliezen treden op tijdens deze beweging die kan worden gemeten als de interne gelijkstroomweerstand.

Met het elektrische model van getrapte, in serie geschakelde RC (weerstand/condensator) elementen in de elektrode poriën, neemt de interne DC-weerstand toe met de toenemende penetratiediepte van de ladingsdragers in de poriën. De interne DC-weerstand is tijdsafhankelijk en neemt toe tijdens laden/ontladen. In toepassingen is vaak alleen het inschakel- en uitschakelbereik interessant. De interne DC-weerstand R_i kan worden berekend uit de spanningsval ΔV₂ op het tijdstip van ontlading, beginnend met een constante ontladingsstroom I_ontlading. Deze wordt verkregen op het snijpunt van de met een hulplijn verlengde schuine spanningslijn en de verticale lijn vanaf de tijd-as op het moment dat de ontlading begint. De weerstand kan worden berekend door:

${displaystyle R_{ ext{i}}={frac {Delta V_{2}}{I_{ ext{ontlading}}}}}$

De ontlaadstroom I_ontlading voor het meten van de interne DC-weerstand kan worden afgeleid van de classificatie volgens IEC 62391-1.

Deze interne DC-weerstand R_i moet niet worden verward met de interne AC-weerstand die de equivalente serieweerstand (ESR) wordt genoemd en normaal gesproken gespecificeerd wordt voor condensatoren. Het wordt gemeten op 1 kHz. De ESR is veel kleiner dan de DC-weerstand. De ESR is niet relevant voor het berekenen van de inschakelstromen of andere piekstromen van de supercondensator.

R_i bepaalt de verschillende supercondensator-eigenschappen. Het beperkt de laad- en ontlaadpiekstromen en laad-/ontlaadtijden. R_i en de capaciteit C resulteert in de tijdconstante${displaystyle au }$

${displaystyle au =R_{ ext{i}}cdot C}$

Deze tijdconstante bepaalt de laad-/ontlaadtijd. Een 100 F-condensator met een interne DC-weerstand van bijvoorbeeld 30 mΩ heeft een tijdconstante van 0,03 × 100 = 3 s. Na 3 seconden opladen met een stroom, die alleen wordt beperkt door de interne gelijkstroomweerstand, is de condensator voor 63,2% opgeladen (of is ontladen tot 36,8%).

Standaardsupercondensatoren met constante interne DC-weerstand worden volledig opgeladen na ongeveer 5τ. Aangezien de interne DC-weerstand toeneemt met de lading/ontlading, kunnen de werkelijke tijden niet worden berekend met deze formule. De laad-/ontlaadtijd hangt af van de specifieke constructiedetails.

Stroombelasting en cyclusstabiliteit

Omdat supercondensatoren werken zonder chemische bindingen te vormen, worden stroombelastingen, inclusief lading, ontlading en piekstromen niet beperkt door de reactiebeperkingen. De huidige belasting- en cyclusstabiliteit kan veel hoger zijn dan die bij oplaadbare batterijen. Stroombelastingen worden alleen beperkt door de interne DC-weerstand, die aanzienlijk lager kan zijn dan die voor batterijen.

De interne weerstand R_i en laad-/ontlaadstromen of piekstromen I genereren interne warmteverliezen P_verlies volgens:

${displaystyle P_{ ext{verlies}}=R_{ ext{i}}cdot I^{2}}$

De vrijkomende warmte moet naar de omgeving worden afgevoerd om de bedrijfstemperaturen onder de opgegeven maximumtemperatuur te houden.

Warmte bepaalt over het algemeen de levensduur van de condensator vanwege elektrolytische diffusie. De warmte afkomstig van de stroombelastingen moet kleiner zijn dan 5 tot 10 K bij de maximale omgevingstemperatuur, waardoor ze slechts een geringe invloed heeft op de verwachte levensduur. De opgegeven laad- en ontlaadstromen voor frequent laden/ontladen worden hoofdzakelijk bepaald door de interne gelijkstroomweerstand.

De opgegeven cyclusparameters onder maximale omstandigheden omvatten de laad- en ontlaadstroom, pulsduur en frequentie. Ze zijn gespecificeerd voor een bepaald temperatuurbereik en over het volledige spanningsbereik gedurende een bepaalde levensduur. Afhankelijk van de combinatie van elektrodeporeusheid, poriëngrootte en elektrolyt kunnen ze enorm verschillen. Over het algemeen verhoogt een lagere stroombelasting de levensduur van de supercondensator en het aantal cycli. Een lagere stroombelasting kan worden bereikt door een lager spanningsbereik of door langzamer op te laden en te ontladen.^[67]

Supercondensatoren, behalve die met polymeerelektroden, kunnen mogelijk meer dan één miljoen keer opgeladen/ontladen worden zonder aanzienlijke achteruitgang van de capaciteit of interne weerstandsverhogingen. Naast de hogere stroombelasting is dit het tweede grote voordeel van supercondensatoren ten opzichte van batterijen. De stabiliteit is het gevolg van zowel de elektrostatische als de elektrochemische opslag.

De opgegeven laad- en ontlaadstromen kunnen aanzienlijk worden overschreden door de frequentie te verlagen of door een enkele puls. Warmte die wordt gegenereerd door een enkele puls kan zo worden gespreid over de tijd totdat de volgende puls optreedt. Hierdoor treedt een relatief kleine gemiddelde warmtetoename op. Een dergelijke "piekvermogenstroom" voor vermogenstoepassingen voor supercondensatoren van meer dan 1000 F kan een maximale piekstroom van ongeveer 1000 A leveren.^[68] Dergelijke hoge stromen genereren hoge thermische spanningen en hoge elektromagnetische krachten die de verbindong tussen de elektrode en de collector kunnen beschadigen en vereisen daarom een robuust ontwerp van de supercondensatorconstructie.

Energiedichtheid en vermogensdichtheid

De energiedichtheid van een supercondensator is de hoeveelheid energie die per massa-eenheid kan worden opgeslagen. De energiedichtheid wordt gravimetrisch gemeten en per eenheid van massa in wattuur per kilogram (Wh/kg) uitgedrukt of volumetrisch gemeten in volumetrische energiedichtheid en in Wh/cm³ of Wh/l uitgedrukt.

• Onderzoekers hebben een supercondensator met een koolstofaerogelektrode gemaakt met een specifiekvermogen van 20 000 W/kg en een energiedichtheid (specifieke energie) van 90 Wh/kg.
• Ter vergelijking: benzine heeft een energiedichtheid van 44,4 MJ/kg of 12.300 Wh/kg (bij voortstuwing van het voertuig moet het rendement van de energieomzettingen in aanmerking worden genomen, resulterend in 3.700 Wh/kg met een gemiddelde efficiëntie van de verbrandingsmotor van 30%.

Hoewel de energiedichtheid van supercondensatoren onvoldoende is in vergelijking met batterijen, hebben supercondensatoren het belangrijke voordeel van de vermogensdichtheid. De vermogensdichtheid beschrijft de snelheid waarmee energie kan worden toegevoerd aan/geabsorbeerd door belasting. Het maximale vermogen wordt gegeven door de formule:^[43]

${displaystyle P_{ ext{max}}={frac {1}{4}}cdot {frac {V^{2}}{R_{i}}}}$

met V = aangelegde spanning en R_i, de interne DC-weerstand van de condensator.

Het beschreven maximale vermogen P_max specificeert het vermogen van een theoretische rechthoekige enkele maximale stroompiek van een gegeven spanning. In echte circuits is de stroompiek niet rechthoekig en is de spanning kleiner, veroorzaakt door de spanningsval. IEC 62391-2 heeft een meer realistisch effectief vermogen P_eff vastgesteld voor supercondensatoren voor stroomtoepassingen:

${displaystyle P_{ ext{eff}}={frac {1}{8}}cdot {frac {V^{2}}{R_{i}}}}$

Levensduur

De levensduur van supercondensatoren hangt voornamelijk af van de condensatortemperatuur en de toegepaste spanning

Omdat supercondensatoren niet afhankelijk zijn van chemische veranderingen in de elektroden (behalve die met polymeerelektroden), hangt de levensduur meestal af van de verdampingssnelheid van de vloeibare elektrolyt. Deze verdamping is in het algemeen afhankelijk van de temperatuur, stroombelasting, huidige cyclusfrequentie en spanning. De stroombelasting- en cyclusfrequentie genereren interne warmte, zodat de verdampingsbepalende temperatuur de som is van de omgevings- en interne warmte. Deze temperatuur wordt gemeten in de kern van een condensator. Hoe hoger de kerntemperatuur, hoe sneller de verdamping en hoe korter de levensduur.

Verdamping resulteert in het algemeen in een afnemende capaciteit en een toenemende inwendige DC-weerstand. Volgens IEC/EN 62391-2 worden capaciteitsverminderingen van meer dan 30% of interne DC-weerstand die vier keer hoger ligt dan de opgegeven specificaties, beschouwd als "slijtage storingen", wat betekent dat het onderdeel het einde van zijn levensduur heeft bereikt. De condensatoren zijn nog wel bruikbaar, maar met beperkte mogelijkheden. Of de afwijking van de parameters van invloed is op een goede werking hangt niet af van de toepassing van de condensator. Dergelijke grote veranderingen van elektrische parameters die zijn gespecificeerd in IEC/EN 62391-2 zijn meestal onaanvaardbaar voor toepassingen met een hoge stroombelasting. Componenten die hoge stroombelastingen ondersteunen, gebruiken veel kleinere limieten, bijvoorbeeld 20% verlies van capaciteit of verdubbeling van de interne weerstand.^[69] De beperktere definitie volgens IEC/EN 62391-2 is belangrijk voor dergelijke toepassingen, aangezien warmte lineair toeneemt met de toenemende inwendige DC-weerstand en de maximale temperatuur niet mag worden overschreden. Temperaturen hoger dan opgegeven kunnen er voor zorgen dat de condensator niet meer werkt.

De werkelijke levensduur van supercondensatoren, ook wel "technische levensduur", "levensverwachting" of "levensduur van de belasting" genoemd, kan bij kamertemperatuur 10 tot 15 jaar of langer bedragen. Dergelijke lange perioden kunnen niet door de fabrikanten worden getest. Daarom specificeren ze de verwachte levensduur van de condensator bij de maximale temperatuur en spanning. De resultaten worden gespecificeerd in gegevensbladen met behulp van de notatie "geteste tijd (uren)/max. Temperatuur (°C)", zoals "5000 uren bij 65 °C". Met deze waarden, die zijn afgeleid uit historische gegevens, kunnen levensverwachtingen worden geschat voor omstandigheden bij lagere temperaturen.

De levensduurspecificatie in gegevensbladen is getest door de fabrikanten met behulp van een versnelde verouderingstest genaamd "vermoeidheidstest" met maximale temperatuur en spanning gedurende een bepaalde tijd. Voor een "nuldefect" productbeleid tijdens deze test mag er geen slijtage of totale uitval optreden. Deze levensduurspecificatie kan worden gebruikt om de verwachte levensduur voor een bepaald ontwerp in te schatten. De schattingen bij de "10-graden-regel", die wordt gebruikt voorelektrolytische condensatoren met vloeibare elektrolyt, kan ook worden gebruikt voor supercondensatoren. Deze regel maakt gebruik van de vergelijking van Arrhenius, een eenvoudige formule voor de temperatuurafhankelijkheid van reactiesnelheden. Voor elke verlaging van de bedrijfstemperatuur met 10 °C, verdubbelt de geschatte levensduur.

${displaystyle L_{x}=L_{0}cdot 2^{frac {T_{0}-T_{x}}{10}}}$

Met

• L _x = te berekende levensduur
• L ₀ = opgegeven levensduurspecificatie
• T ₀ = bovenste gespecificeerde condensatortemperatuur
• T _x = bedrijfstemperatuur van de condensatorcel

Berekend met deze formule hebben condensatoren gespecificeerd met 5000 uur bij 65 °C een geschatte levensduur van 20.000 uur bij 45 °C.

De levensduur is ook afhankelijk van de bedrijfsspanning, omdat de ontwikkeling van gas in de vloeibare elektrolyt afhankelijk is van de spanning. Hoe lager de spanning, hoe kleiner de gasontwikkeling en hoe langer de levensduur. Er bestaat echter geen algemene geldende formule voor het berekenen van de levensduur van de supercondensator bij een bepaalde spanning. De spanningsafhankelijke curven weergegeven in de afbeelding zijn een empirisch resultaat van één fabrikant.

De levensverwachting voor krachttoepassingen kan ook worden beperkt door de stroombelasting of het aantal cycli. Deze beperking van de stroombelasting of het aantal cycli moet worden opgegeven door de relevante fabrikant en is sterk afhankelijk van het type supercondensator.

Zelfontlading

Het opslaan van elektrische energie in de Helmholtz-dubbellaag scheidt de ladingsdragers van elkaar op de afstanden die de moleculen van elkaar liggen. Over deze korte afstand kunnen onregelmatigheden voorkomen, wat leidt tot een kleine uitwisseling van ladingsdragers en geleidelijke ontlading. Deze zelfontlading wordt lekstroom genoemd. De lekkage is afhankelijk van de capaciteit, spanning, temperatuur en de chemische stabiliteit van de combinatie elektrode/elektrolyt. Bij kamertemperatuur is de lekkage zo laag dat deze wordt gespecificeerd door de zelfontladingstijd. Deze wordt uitgedrukt in uren, dagen of weken. Zo gaat bijvoorbeeld van een 5,5 V/F Panasonic 'Goldcapacitor' (dubbele celcondensator) de spanningsverlaging bij 20 °C van 5,5 V naar 3 V in 600 uur of 25 dagen.^[70]

Spanningsvermindering na opladen

Grafische weergave van het verloop van de spanning na het opladen

Het blijkt, dat nadat de elektrostatische dubbellaagsupercondensator opgeladen of ontladen is, de spanning in de loop van de tijd afneemt naar het vorige spanningsniveau. De waargenomen spanningsvermindering kan zich over meerdere uren uitstrekken en is waarschijnlijk te wijten aan lange diffusie-tijdconstanten van de poreuze elektroden in de dubbellaagsupercondensator.^[66]

Polariteit

Een negatieve balk op de isolatiemantel duidt de kathode-aansluiting van de condensator aan

Omdat de positieve en negatieve elektroden van symmetrische supercondensatoren uit hetzelfde materiaal bestaan, hebben theoretisch gezien supercondensatoren geen echte polariteit en treedt een catastrofaal falen normaal niet op. Als een supercondensator echter omgekeerd opgeladen wordt, verlaagt dit de capaciteit. Het wordt daarom aanbevolen om de polariteit te handhaven zoals die tijdens de productie zijn ingesteld. Asymmetrische supercondensatoren zijn van nature polair.

Pseudocondensatoren en hybride supercondensatoren die elektrochemische ladingseigenschappen hebben, mogen niet met omgekeerde polariteit worden gebruikt, wat hun gebruik bij wiselstroom uitsluit. Deze beperking is echter niet van toepassing op de electrostatische dubbellaagsupercondensatoren

Een balk op de isolerende huls identificeert de negatieve pool in een gepolariseerde component.

In sommige literatuur worden de termen "anode" en "kathode" gebruikt in plaats van de negatieve elektrode en de positieve elektrode. Het gebruik van anodes en kathodes om de elektroden in supercondensatoren (en ook oplaadbare batterijen inclusief lithium-ion-batterijen) te beschrijven kan tot verwarring leiden, omdat de polariteit verandert afhankelijk van of een component als een generator of als een verbruiker van stroom wordt beschouwd. In de elektrochemie zijn kathode en anode respectievelijk gerelateerd aan reductie- en oxidatiereacties. In supercondensatoren op basis van elektrische dubbellaagcapaciteit is er echter geen oxidatie- en/of reductiereactie op een van de twee elektroden. Daarom zijn de concepten kathode en anode niet van toepassing.

Standaarden of normeringen

Indeling van supercondensatoren in klassen met betrekking tot IEC 62391-1, IEC 62567en BS EN 61881-3 normen. capacitance = capaciteit van klein naar groot, internal resistance = interne DC-weerstand van laag naar hoog.

Supercondensatoren verschillen dusdanig van elkaar, dat ze zelden uitwisselbaar zijn, vooral die met hogere energiedichtheid. Toepassingen variëren van lage tot hoge piekstromen, waarvoor voor de supercondensatoren gestandaardiseerde testprotocollen en meetvoorschriften vereist zijn.^[71]

Testspecificaties en parametervereisten worden beschreven in de generieke specificatie

• IEC/CEN 62391-1, Elektrische dubbellaagcondensatoren voor gebruik in elektronische apparatuur .

De standaard definieert vier toepassingsklassen, afhankelijk van de ontlaadstroomniveaus:

1. Geheugen back-up
2. Energieopslag, hoofdzakelijk gebruikt voor het aandrijven van motoren, vereist een korte werking,
3. Vermogenvraag, hogere stroombehoefte gedurende een langere bedrijfstijd,
4. Direct vermogen gedurende een korte bedrijfstijd voor toepassingen die relatief hoge stroomeenheden of piekstromen vereisen, variërend tot enkele honderden ampères.

Drie andere normen beschrijven speciale toepassingen.Voor supercondensatoren voor stroomtoepassingen van klasse 4 zijn de specifieke vereisten vastgelegd in een internationaal geharmoniseerde kaderspecificatie:

• IEC 62391-2, Vaste elektrische dubbellaagcondensatoren voor gebruik in elektronische apparatuur - Niet beschreven detailspecificatie - Elektrische dubbellaagcondensatoren voor krachttoepassing

Bovendien specificeren de twee volgende normen de speciale vereisten voor supercondensatoren voor gedefinieerde toepassingsgebieden:

• IEC 62576, Elektrische dubbellaagcondensatoren voor gebruik in hybride elektrische voertuigen. Testmethoden voor elektrische eigenschappen
• BS/EN 61881-3, Spoorwegtoepassingen. Rollend materieel. Kondensatoren für die Leistungselektronik. Elektrische Doppelschichtkondensatoren

In Belgien werden die IEC-Normen von der Büro für Normung (NBN), in den Niederlanden ist es Niederländisches Normungsinstitut (NEN) dafür verantwortlich.

Konstruktion

Superkondensatoren werden in verschiedenen Ausführungen hergestellt, z. B. flach mit einem einzigen Elektrodenpaar, in einem zylindrischen Gehäuse gewickelt oder in einem rechteckigen Gehäuse gestapelt. Da sie einen großen Bereich von kapazitiven Werten abdecken, kann die Größe der Gehäuse variieren.

Unterschiedliche Bauweisen von Superkondensatoren

• 

  Flache Form eines Superkondensators für mobile Komponenten

• 

  Radiale Bauform eines Lithium-Ionen-Kondensators zur Montage auf einem PCB für industrielle Anwendungen verwendet

Konstruktionsdaten von gewickelten und gestapelten Superkondensatoren mit Aktivkohleelektroden

• 

  Schematischer Aufbau eines gewickelten Superkondensators
  1. Anschlüsse, 2. Sicherheitsventil, 3. Dichtscheibe, 4. Aluminiumgehäuse, 5. Pluspol, 6. Separator, 7. Kohleelektrode, 8. Kollektor, 9. Kohleelektrode, 10. Minuspol

• 

  Schematischer Aufbau eines Stapelelektroden-Superkondensators
  1. positive Elektrode, 2. negative Elektrode, 3. Separator

Superkondensatoren bestehen aus zwei Metallfolien, den Kollektoren, die jeweils mit einem Elektrodenmaterial wie Aktivkohle beschichtet sind und als Stromverbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und den äußeren Anschlüssen des Kondensators dienen. Spezifisch für das Elektrodenmaterial ist eine sehr große Oberfläche. In diesem Beispiel wird die Aktivkohle elektrochemisch geätzt, sodass die Oberfläche des Materials etwa 100.000 mal größer ist als die glatte Oberfläche. Die Elektroden sind durch eine ionendurchlässige Membran, den Separator, voneinander getrennt Isolator gegen Kurzschluss. Diese Konstruktion wird dann in eine zylindrische oder rechteckige Form gewickelt oder gefaltet und kann in einem Aluminiumrohr oder einem anpassbaren rechteckigen Gehäuse gestapelt werden. Anschließend wird die Zelle mit einer Flüssigkeit imprägniert oder zähflüssig, organischer oder wässriger Elektrolyt. Der Elektrolyt, ein Ionenleiter, dringt in die Poren der Elektroden ein und dient als leitende Verbindung zwischen den Elektroden über den Separator. Schließlich ist das Gehäuse hermetisch abgedichtet, um ein stabiles Verhalten über die angegebene Lebensdauer zu gewährleisten.

Anwendungen

• Allgemeines. Superkondensatoren haben Vorteile bei Anwendungen, bei denen eine große Energiemenge für eine relativ kurze Zeit oder für eine sehr große Anzahl von Lade-/Entladezyklen benötigt wird. Typische Beispiele sind ein Strom im Bereich von Milliampere oder Milliwatt für mehrere Minuten bis zu einem Strom im Bereich von mehreren hundert Ampere oder mehreren hundert Kilowatt bei kurzen Spitzenlasten.

Die Zeit t, während der ein Superkondensator einen konstanten Strom I liefern kann, berechnet sich zu:

${displaystyle t={frac {C,(U_{ ext{loaded}}-U_{ ext{min}})}{I}}}$, wo die Spannung ${displaystyle U_{ ext{loaded}}}$ fällt auf ${displaystyle U_{ ext{min}}}$.

Wenn die Anwendung für eine bestimmte Zeit läuft ${displaystyle t}$ eine konstante Spannung ${Anzeigestil P}$ benötigt, kann dies berechnet werden mit:

${displaystyle t={frac {1}{2P}}C,(U_{ ext{loaded}}^{2}-U_{ ext{min}}^{2})}$, wo die Spannung ${displaystyle U_{ ext{loaded}}}$ fällt auch auf ${displaystyle U_{ ext{min}}}$.

• Unterhaltungselektronik. Bei Anwendungen mit wechselnden Belastungen, wie z Laptops, PDAs, Geographisches Positionierungs System, tragbare Mediaplayer, Mobile Geräte^[72] und Solarplatten Superkondensatoren können die Stromversorgung stabilisieren. Superkondensatoren liefern Strom für die Blitze im Digitalkameras und für LEDTaschenlampen die in viel kürzeren Zeiträumen aufgeladen werden können, zum Beispiel in 90 Sekunden.^[73] Einige tragbare Lautsprecher werden von Superkondensatoren betrieben.^[74]
• Werkzeuge. Ein drahtloses Akku-Bohrschrauber Energiespeicher-Superkondensatoren laufen im Vergleich zu einem Batteriemodell etwa halb so lange, können jedoch in 90 Sekunden vollständig aufgeladen werden und behalten nach drei Monaten Nichtbenutzung 85 % der Ladung bei.^[75]
• Industrielle Anwendungen.
  • Superkondensatoren liefern die Energie für elektrische Geräte, deren Funktion bei kurzzeitigem Stromausfall gewährleistet sein muss, beispielsweise um Daten in der elektronischen Datenspeicherung zu speichern (RAM, SRAM) aufrecht erhalten. Sie sind auch als zusätzliche Energiequelle enthalten Smart Meter.^[76] In Kombination mit parallel geschalteten Batterien fungieren Superkondensatoren als Puffer bei stark schwankenden Belastungen der Batterien und reduzieren so Lastspitzen. Dies kann die Lebensdauer der Batterien verlängern.
  • Eine typische industrielle Anwendung für Superkondensatoren ist die Notstromversorgung zur kurzfristigen Überbrückung Stromausfälle. Mit Superkondensatoren lassen sich erhebliche Platzeinsparungen im Vergleich zu Elektrolytkondensator.^[77][78][79]
  • Superkondensatoren werden als Energielieferanten für elektrische Lokomotiven in einigen Kohleminen in China. Der Vorteil dieses Superkondensators ist die schnelle Ladezeit der Kondensatoren im Vergleich zu Batterien. In weniger als 30 Minuten sind die Superkondensatoren voll aufgeladen und der Zug kann wieder fahren. Mit dieser Lösung wird die Explosionsgefahr elektrischer Antriebe gegenüber a Oberleitung signifikant reduziert.^[80] Superkondensatoren werden bereits in elektrisch angetriebenen Traktoren an Flughafenterminals eingesetzt. Sie bieten eine kostengünstige, leise und schadstofffreie Alternative zu den Dieseltraktoren.^[80]
  • Bei einigen Seilbahnen Benötigen die Fahrzeuge Strom für die Beleuchtung, die Gegensprechanlage und die Infotainmentsysteme.^[81] Da das Aufladen von Akkus beim Durchfahren der Stationen und Haltestellen zu lange dauert, können stattdessen Superkondensatoren verwendet werden, die an jeder Station über eine Stromschiene geladen werden. Gondeln mit Superkondensatoren im Netzteil, finden Sie beispielsweise in Zell am See und bei der Emirates Airline und die Standseilbahn über den Themse in London.^[82]

Nahaufnahme einer Rotornabe mit Pitchsystem

• Erneuerbare Energie.
  • Anstelle von Batterien werden Superkondensatoren in Windräder zur Energieversorgung der Tonhöhenregelung. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einer Unterbrechung des Stromnetzes immer genug Energie vorhanden ist, um die Rotorblätter in der Federn und die Windkraftanlage sicher zu verstauen ("aus dem Wind"). Jedes Laufrad verfügt über einen separaten Verstellmechanismus mit einer Kondensatoreinheit, die in der Laufradnabe montiert ist. Der größte Vorteil gegenüber Batterien ist vor allem der geringere Wartungsaufwand.^[83][84]
  • Die Superkondensatoren können die durch die erzeugte Spannung stabilisieren Photovoltaik Systeme (Sonnenkollektoren). Diese Spannung unterliegt Schwankungen durch vorübergehende Bewölkung oder Schatten. Die Stabilisierung reduziert den Aufwand des Netzbetreibers auf Netzspannung und stabilisieren die Netzfrequenz^[85][86] Bei ausreichender Größe der Superkondensatoren eignen sie sich auch zur kurzzeitigen Speicherung der elektrischen Energie aus den Photovoltaikzellen, bevor diese in das Niederspannungsnetz eintritt.^[76][87]
• Medizinische Anwendung. Superkondensatoren werden verwendet in Defibrillatoren wo sie die Energie für die lebensrettenden Impulse liefern.^[88]
• Luftfahrt. Gebraucht seit 2005 Diehl Aerospace GmbH Superkondensatoren als Energiequellen für die Notöffnung der Flugzeugtüren und die Betätigung der Notrutschen am Airbus 380.^[76][84]
• Militärische Anwendungen. Für die Kaltstart von Dieselmotoren kurze Stromspitzen sind erforderlich. Superkondensatoren mit niedrigem Innenwiderstand werden seit langem verwendet, um den Kaltstart von Dieselmotoren von Panzer und U-Boote.^[89] Andere militärische Anwendungen, bei denen Superkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte eingesetzt werden, sind phasengesteuerte Antennen, Netzteile für gepulste Laser, AvionikAnzeige und Instrumente, Airbag-Zündkreise und Geographisches Positionierungs System-intelligente Bomben und Projektile.^[90][91]
• Energierückgewinnung. Bei der Rückgewinnung von Bremsenergie durch das sogenannte regeneratives Bremsen Superkondensatoren verwendet. Sie haben eine lange Lebensdauer und sind daher ideal zum Aufbewahren vor dem kinetische Energie gewonnene elektrische Energie. Aufgrund ihrer hohen Stromkapazität, der Fähigkeit, viele Male zu laden/entladen, ist die hohe Effizienz und ihrer langen Lebensdauer sind sie ideal, um die beim Bremsen aus der kinetischen Energie zurückgewonnene elektrische Energie zu speichern.^[92][93][94]
• Bahntransport. Superkondensatoren können verwendet werden, um die Batterien zu ergänzen, wie z Starterbatterie auf dieselelektrische Lokomotiven und zum Vorwärmen der Katalysatoren verwendet werden. Aufgrund ihrer hohen , die Kondensatoren Stromdichte speichern auch die beim dynamischen Bremsen des Zuges erzeugte Energie und stellen den nötigen Spitzenstrom beim Anfahren bereit. Eine Studie zeigte, dass dies zu Energieeinsparungen von 25 bis 30 % führen würde.^[95][96] Da die Batterien aufgrund der geringeren Spitzenlast kleiner gebaut werden können, kann aufgrund des geringeren Gewichts und des geringeren Platzbedarfs mehr Kraftstoff transportiert werden. Wartungsfreiheit und die Verwendung umweltfreundlicher Materialien in Superkondensatoren fördern die Wahl von Superkondensatoren.

Stadtbahn mit Energierückgewinnung in Heidelberg

In Paris verkehrte die Straßenbahn der Linie T3 testweise streckenweise ohne Kontakt mit der Oberleitung

• Stadt- und Straßenbahnfahrzeuge. Superkondensatoren können nicht nur elektrische Energie aus dem regeneratives Bremsen von Stadtbahn- und Straßenbahnwagen sparen, sondern bieten auch die Möglichkeit, kurze Strecken ohne Oberleitung zu fahren. Während der Wartezeit an den Haltestellen kann die benötigte Energie aus einer nur an den Haltestellen installierten Oberleitung bezogen werden. Dadurch können erhebliche Einsparungen bei der Installation der Infrastruktur erzielt werden. Außerdem können die optisch störenden Oberleitungen in den historischen Stadtteilen entfallen. 2003 wurde ein System des Herstellers Bombenschütze zur Speicherung der beim rekuperativen Bremsen gewonnenen Energie in Mannheim Bei der Stadtbahn geprüft. Dieses MITRAC Energiesparer^[97][98] arbeitete mit Superkondensatoren, die oben auf dem Dach montiert waren. Es bestand aus mehreren Speicherblöcken mit insgesamt 192 Einzelkondensatoren mit je 2700 F und 2,7 V, die durch drei parallele Leitungen verbunden waren. Daraus resultierte ein 518 V System mit einem Energieinhalt von 1,5 kWh. Um die Inbetriebnahme zu beschleunigen, könnte dieses System kurzzeitig 600 kW leisten. Damit war es auch möglich, bis zu einem Kilometer ohne Oberleitung zu fahren. Bei solchen Systemen wird der vom Netz einzuspeisende Spitzenstrom um ca. 50 % reduziert und ca. 30 % der für den Betrieb benötigten Energie eingespart.^[99][100] Die Ausstattung mit den Superkondensatoren für die Energiespeicherung kostet zwar rund 270.000 Euro, die Mehrkosten sollen sich aber in 15 Jahren amortisieren. Der Test wurde im März 2008 erfolgreich abgeschlossen^[101] und die Superkondensatoren wurden wieder entfernt. Im Anschluss daran wird die Rhein-Neckar-Verkehr zwischen 2009 und 2013 insgesamt 30 neue Rhein-Neckar-Variobahnen mit dem neuen System für Mannheim und Heidelberg ausgestattet.^[102]

Der spanische Hersteller Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF) stellt die Straßenbahnen des Typs URBOS 3 mit dem System ACUMULADOR de Carga Rapida (ACR) und die waren in Sevilla sind im Einsatz.^[103]

Im Paris betrieb von Mai 2009 bis September 2010 eine U-Bahn der Linie 3 mit einem Système de Tramway à Efficacité Energétique Maximisée ("STEEM" = Straßenbahn mit maximierter Energieeffizienz) Energierückgewinnungssystem des Herstellers Alstom. Der Test sollte zeigen, dass der U-Bahn-Zug mit der in den Superkondensatoren gespeicherten Energie die Teile ohne Strom des power dritte Schiene überbrücken könnte. In diesem Fall der 300 m lange Abschnitt zwischen den Metrostationen Porte d'Italien und Porte de Choisy.^[104]

Im Genf rüstet seit 2012 einen prototypischen Stadtbahntriebzug mit Superkondensatoren zur Rückgewinnung von Bremsenergie mit einem Gesamtgewicht von 1000 kg aus. Das Speichersystem ist durch Asea Brown Boveric entwickelt und kann das elektrische Äquivalent der freigesetzten kinetischen Bremsenergie eines mit 55 km/h fahrenden Leerzugs speichern.^[105]

Im August 2012 wurde die CSR Zhuozhou Electric Locomotive Corporation of China ein Prototyp eines Stadtbahntriebwagens mit einem zusätzlichen Fahrzeug, das mit einem Energierückgewinnungssystem ausgestattet ist. Die Kapazität der Superkondensatoren ist so groß, dass der Triebzug die benötigte Energie von den Superkondensatoren erhält, wenn keine Oberleitung vorhanden ist. Die Superkondensatoren werden an den Stationen aufgeladen.^[106]

Die Bremsenergie kann auch über das Oberleitungsnetz in ortsfesten Speicherblöcken gespeichert werden, wenn dies über das Netz nicht möglich ist. So ist das U-Bahnlinie Hongkong Südinsel ausgestattet mit zwei Speichereinheiten mit Superkondensatoren mit jeweils einer Kapazität von 2 MW haben. Damit will das Unternehmen etwa 10 % Energie einsparen.^[107]

MAN Hybridbus in Köln

• Stadtbusse. Bereits 2001 wurde der sogenannte "Ultracapbus" von MANN der Öffentlichkeit präsentiert, der erste Hybridbus in Europa, das seine Bremsenergie zurückgewinnen konnte. Der Bus wurde in den Jahren 2001/2002 in . getestet Nürnberg. Jeder Bus hatte acht Superkondensatoren, die mit 640 V betrieben wurden. Der Energieinhalt der acht Superkondensatoren betrug 0,4 kWh bei einem Gewicht von 400 kg (520 kg inkl. Einbauraum) und lieferten einen maximalen Strom von 400 A. Vorteile des Systems waren eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (10 15 % gegenüber konventionelle Dieselbusse), eine Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen, Beschleunigen an den Haltestellen ohne störende Geräusche und Abgase, Steigerung des Fahrkomforts (sanfte Beschleunigung und vibrationsarmes Fahren) und Reduzierung der Wartungskosten.^[108]

Ein Test von Superkondensatoren zur Energierückgewinnung wurde mit der Minibusflotte TOHYCO Rider in . erfolgreich durchgeführt Luzerne, Schweiz 2002. Die Busse sind erreichbar über Induktion an jeder Haltestelle innerhalb von Minuten aufgeladen werden. Alle Versuche waren erfolgreich, so dass der Versuch 2004 fortgesetzt wurde.^[109]

Elektrobus (Capabus) auf der Expo 2010 in Shanghai während des Ladevorgangs an einer Haltestelle.

Im Frühjahr 2005 wurde in China ein Elektrobus, der „Capabus“, getestet. Es ist mit doppellagigen Superkondensatoren ausgestattet, um Bremsenergie zurückzugewinnen und während der Fahrt Energie bereitzustellen. Die Superkondensatoren sind an jeder Bushaltestelle, an der der Bus unter sogenannten elektrischen Regenschirmen hält, schnell aufgeladen. Am Endpunkt sind sie wieder voll aufgeladen. Seit 2013 in Shanghai etwa drei Linien mit insgesamt 17 Bussen mit Superkondensatoren sind bereits in Betrieb. Es wird davon ausgegangen, dass sie im Betrieb billiger sind als Litium-Ionen-BatterieDies ist auf die höhere Anzahl von Lade-/Entladezyklen, die längere Lebensdauer der Superkondensatoren und die Einsparung von mehr als 200.000 US-Dollar an Kraftstoffkosten gegenüber dieselbetriebenen Bussen zurückzuführen.^[110][111]

Ein weiteres Konzept eines Elektrobusses, der ganz ohne Oberleitungen auskommt, ist durch die Universität Glamorgan (Wales) vorgeschlagen. Wenn Energiequellen zu werden Wasserstoff in Kombination mit a Brennstoffzelle und ausschalten Solarzellen benutzt. Die Zwischenlagerung erfolgt in parallel geschaltet Batterien und Superkondensatoren. Dieser Bus namens "Tribrid" wird verwendet, um die Studenten auf dem Campus zu transportieren.^[112][113]

Mazda 2 (seit 2010)

• Kraftfahrzeuge. Ende 2012 Mazda das Mazda 2 Demio für mit a regeneratives Bremssystem und mit einem Superkondensator zur Energiespeicherung,^{[114][115][116][117]} Die Vorteile der Superkondensatoren sind die sehr hohe Spitzenstrombelastung, die sehr vielen Lade-/Entladezyklen, eine lange Lebensdauer, gute Eigenschaften bei tiefen Temperaturen und eine hohe Zuverlässigkeit^[118] Das i-ELOOPSystem (Intelligent-Energy Loop) kommen Superkondensatoren des Herstellers NCC zum Einsatz^[119], die vibrations- und temperaturbeständig sind und speziell für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt wurden. Sie sind parallel zu den Lithium-Ionen-Batterien geschaltet. Mazda erwartet von diesem System eine Energieeinsparung von ca. 10 %.
• Containerkrane. Ein mobiler Hybrid-Diesel-Elektro Containerkran bewegt und stapelt Container innerhalb eines Container-Terminal. Das Heben der Container erfordert viel Energie. Ein Teil der Energie im Containerterminal Kuantan (Malaysia) wird zurückgewonnen und in Superkondensatoren gespeichert, wenn die Container abgesenkt werden. Dadurch sind erhebliche Energieeinsparungen möglich. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass nur ein kleinerer Primärdieselmotor benötigt wird, da die Spitzenlast beim Heben des Containers von der im Superkondensator gespeicherten Energie übernommen werden kann.^[94]
• Gabelstapler. In einer Version eines Dreifach-HybridsGabelstapler wird verwendet als Brennstoffzelle als primäre Energiequelle, die die parallel geschaltete Kombination aus Batterien und Superkondensatoren lädt. Die Superkondensatoren liefern den Spitzenlaststrom zum Heben und werden mit der beim Senken freigesetzten Energie wieder aufgeladen. Dieses Triple-Hybrid-System bietet mehr als 50 % Energieeinsparung im Vergleich zu einem System mit nur einem Dieselmotor oder einer Brennstoffzelle^[120]

TS030 Hybrid bei der 24-Stunden-Rennen von Le Mans 2012

• Motorsport. Das FIA im Jahr 2007 die Regeln für die Formel-1-Rennwagen, was dazu führt, dass Antriebsstrang ein 200-kW-Hybridantrieb durfte verwendet werden. Die Superkondensatoren und Batterien sind parallel geschaltet. Dieses System wurde erstmals 2009 angewendet und wurde zum "Kinetisches Energierückgewinnungssystem“ (KERS). 2010 wurde KERS in der Formel-1-Meisterschaft nicht mehr eingesetzt, weil das System teuer war, zu viel wog und nicht immer Vorteile bot. Ab 2011 wurde das System wieder eingeführt.^[121] Ab der Saison 2014 wurde die Bezeichnung des Systems in „Energy Recovery System“ (ERS) geändert, die Leistung des eingesetzten Motors von 60 kW auf 120 kW erhöht. Dies geschah, um den Übergang von 2,4-Liter-V8-Motoren zu 1,6-Liter-V6-Motoren zu kompensieren.^[122] Durch die Speicherung der Bremsenergie und deren Rückspeisung beim Beschleunigen können ca. 20 % Kraftstoff eingespart werden.^{[123][124][125]}

Nach den Prototyping-Regeln der 24 Stunden von Le Mans war de von Toyota Toyota TS030 Hybrid (erfüllt LMP1-Anforderungen) entwickelt mit einem Hybridantrieb und einem Energiespeichersystem mit Superkondensatoren zur Bremsenergierückgewinnung.^[126][127] Im Rennen 2012 war dieser sportliche Prototyp auf der schnellsten Runde nur 1,055 Sekunden langsamer (3:24,842 gegenüber 3:23,787)^[128] als das schnellste Auto, a Audi R18 E-Tron Quattro mit Energiespeicherung durch a Schwungrad. Diese beiden Fahrzeuge, die auf unterschiedliche Weise Bremsenergie zurückgewinnen, waren die schnellsten Autos im Rennen.

Geschichte

In den frühen 1950er Jahren bauten Techniker aus Allgemeine Elektrik Experimentieren mit porösen Kohlenstoffelektroden für Kondensatoren am Beispiel der Brennstoffzellen und der wiederaufladbare Batterien. Aktivkohle ist ein elektrischer Kondensator mit einer extrem porösen "Schwamm" -Form aus Kohlenstoff und einem hohen spezifische Oberfläche. 1957 entwickelte H. Becker einen "Niederspannungs-Elektrolytkondensator mit porösen Kohlenstoffelektroden".^{[129][130][131]} Er glaubte, dass die Energie als Ladung in den Kohlenstoffporen wie in den Poren der geätzten Folien von Elektrolytkondensatoren gespeichert wird. Da ihm der Doppelschichtmechanismus damals noch nicht bekannt war, schrieb er in das Patent: "Es ist nicht genau bekannt, was in dem Teil passiert, wenn es zur Energiespeicherung verwendet wird, aber es führt zu einer extrem hohen Kapazität."

General Electric hat diese Arbeiten nicht sofort fortgesetzt. 1966 fanden Forscher aus Standardöl von Ohio (SOHIO) eine weitere Version der Komponente als "elektrische Energiespeicherausrüstung", während der Versuchsdurchführung Brennstoffzelle Entwürfe gearbeitet.^[58][132]Die Natur der elektrochemischen Energiespeicherung wurde in diesem Patent nicht offenbart. Bereits 1970 wurde der von Donald L. Boos patentierte elektrochemische Kondensator als Elektrolytkondensator mit Aktivkohleelektroden registriert.^[133]

Bisherige elektrochemische Kondensatoren verwendeten zwei mit Aktivkohle bedeckte Aluminiumfolien, die Elektroden, die in einen Elektrolyten getränkt und durch einen dünnen porösen Isolator getrennt waren. Dieses Design ergab einen Kondensator mit einer Kapazität in der Größenordnung von eins Farad, deutlich höher als bei gleich großen Elektrolytkondensatoren. Dieses grundlegende mechanische Design ist die Grundlage der meisten elektrochemischen Kondensatoren geblieben.

SOHIO hat ihre Erfindung nicht kommerzialisiert und die Technologie an das Unternehmen lizenziert NEC Corporation, das die Kondensatoren 1971 schließlich als "Superkondensatoren" vermarktete, um die Stromversorgung für die Sicherung des Computerspeichers.^[58]

Zwischen 1975 und 1980 Brian Evans Conway umfangreiche Grundlagen- und Entwicklungsarbeit an Rutheniumoxid elektrochemische Kondensatoren. 1991 beschrieb er den Unterschied zwischen "Superkondensator"- und "Batterie"-Verhalten bei der elektrochemischen Energiespeicherung. 1999 prägte er den Begriff Superkondensator, um die erhöhte Kapazität aufgrund von Oberflächenredoxreaktionen mit faradayscher Ladungsübertragung zwischen Elektroden und Ionen zu erklären.^[6][47] Sein „Superkondensator“ speichert die elektrische Ladung teils in der Helmholtz-Doppelschicht und teils als Ergebnis faradayscher Reaktionen mit „Pseudokapazität“-Ladungstransfer von Elektronen und Protonen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Die Wirkmechanismen von Pseudokondensatoren bestehen aus Redoxreaktionen, Interkalation und Elektrosorption (Adsorption auf einer Fläche). Mit seiner Forschung hat Conway das Wissen über elektrochemische Kondensatoren deutlich erweitert.

Der Markt expandierte langsam, aber das änderte sich um 1978, als Panasonic startete seine Marke Goldcaps.^[134] Dieses Produkt wurde zu einer erfolgreichen Stromquelle für Speicher-Backups.^[58] Der Wettbewerb begann erst Jahre später, als 1987 ELNA "Dynacap"s kamen auf den Markt.^[135] Die erste Generation von Superkondensatoren hatte einen relativ hohen interner AC-Widerstand Begrenzung des Entladestroms. Sie wurden für Schwachstromanwendungen verwendet, wie z. B. die Bereitstellung von elektrischem Strom für SRAMChips oder zum Sichern von Daten.

In den späten 1980er Jahren erhöhten verbesserte Elektrodenmaterialien die Kapazitätswerte. Gleichzeitig verringerte die Entwicklung von Elektrolyten mit besserer Leitfähigkeit die Verlustwiderstand (ESR) mit dadurch höheren Lade-/Entladeströmen. Der erste Superkondensator mit niedrigem AC-Innenwiderstand wurde 1982 vom Pinnacle Research Institute (PRI) für militärische Anwendungen entwickelt und unter dem Markennamen „PRI Ultracapacitor“ vertrieben. 1992 erwarben Maxwell Laboratories (später Maxwell Technologies) diesen Superkondensator. Maxwell verwendete den Begriff Ultracapacitor von PRI und nannte sie "Boost Caps".^[136] um ihre Verwendung für leistungsstarke Anwendungen zu unterstreichen.

Da der Energieinhalt von Kondensatoren mit dem Quadrat der Spannung zunimmt, suchten die Forscher nach einer Möglichkeit, Die Spannung unterbrechen des Elektrolyten. 1994 entwickelte David A. Evans mithilfe der Anode ab 200V Tantal-Elektrolytkondensator ein Hybridkondensator.^[137][138] Diese Kondensatoren vereinen Eigenschaften von elektrolytischen und elektrochemischen Kondensatoren. Sie kombinieren die hohe Spannungsfestigkeit einer Anode eines Elektrolytkondensators mit der hohen Kapazität einer Kathode eines elektrochemischen Kondensators. Evans-Kondensatoren, genannt Capattery,^[139] hatte einen um den Faktor 5 höheren Energieinhalt als ein vergleichbarer Tantal-Elektrolytkondensator gleicher Größe.^[140] Aufgrund der hohen Produktionskosten wurden sie auf bestimmte militärische Anwendungen beschränkt.

Aktuelle Entwicklungen finden auch bei also Lithium-Ionen-Kondensatoren. Diese Hybridkondensatoren wurden 2007 von FDK entwickelt.^[141] Sie kombinieren eine elektrostatische Kohleelektrode mit einem Pre gedopt elektrochemische Lithium-Ionen-Elektrode. Diese Kombination erhöht den Kapazitätswert. Darüber hinaus senkt der Vordotierungsprozess das Anodenpotential und führt zu einer hohen Zellausgangsspannung, wodurch die Energiedichte wird weiter erhöht.

Superkondensatoren werden verwendet in elektrische Autos um einen Schub zu geben Beschleunigung.^[142]

Im Jahr 2017 wurde ein biologischer Superkondensator geschaffen, der durch die Verwendung biologischer Flüssigkeiten (Blutserum, Urin und dergleichen), Körperwärme und Bewegung aufgeladen wird. Der Superkondensator besteht aus Graphen in Kombination mit modifizierten menschlichen Proteinen als Elektrode. Der Superkondensator kann verwendet werden in Herzschrittmacher^[143][144]

Externe Links

• Superkondensatoren Universität Twente
• Superkondensatoren-Ingenieure Online

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