Superkondensatoren und ihre Verwandtschaft mit Batterien

Der Bedarf an zuverlässigen Komponenten für die Speicherung von Energie ist mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoT), des industriellen IoT (IIoT), tragbarer Elektronik und größerer Anwendungen wie Industrieanlagen und Rechenzentren drastisch gestiegen. Batterien versorgen kleinere Geräte direkt mit Strom, während Batterien in größeren Anwendungen häufig als Backup für den Fall eines primären Stromausfalls verwendet werden.

Kleine Geräte sind häufig auf Lithium-Ionen- (Li-Ion) oder Alkali-Knopfzellenbatterien angewiesen, um die Ziele kleiner Formfaktoren und minimaler Wartung zu erreichen. Bei Li-Ionen-Zellen müssen die Grenzwerte für den Ladezyklus und die Sicherheit sorgfältig beachtet werden. Batterien, die als Reserve verwendet werden, können sich nach einem schnellen Aufladen schnell abnutzen und müssen ersetzt werden. Diese Batterien erfordern außerdem komplexe Batteriemanagementsysteme und können nach wie vor thermisch durchgehen, was zu Sicherheitsbedenken führt.

Elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC), auch Superkondensatoren genannt, sind eine ergänzende Technologie zu Batterien. Während Batterien relativ lange Strom liefern können, können Superkondensatoren schnell Strom für kurze Zeiträume bereitstellen. Superkondensatoren sind außerdem umweltfreundlich, unterliegen nicht dem thermischen Durchgehen und können bis zu 20 Jahre lang zuverlässig arbeiten. Sie können als alleinige Energiespeichermethode, in Kombination mit Batterien oder als Hybridgerät zur Optimierung der Energieversorgung eingesetzt werden.

In diesem Artikel werden Superkondensatoren im Vergleich zu Batterien kurz beschrieben. Anschließend werden einige typische Anwendungen, sowohl als Einzelgeräte als auch in Kombination mit Batterien, vorgestellt. Zur Veranschaulichung werden Superkondensatoren von Eaton verwendet.

Unterschiede zwischen Superkondensatoren und Batterien

Ein Superkondensator ist ein Energiespeicher mit einer ungewöhnlich hohen spezifischen Leistungskapazität im Vergleich zu elektrochemischen Speichern wie Batterien. Batterien und Superkondensatoren erfüllen ähnliche Funktionen bei der Energieversorgung, funktionieren aber unterschiedlich. Ein Superkondensator funktioniert wie ein klassischer Kondensator, da das Entladeprofil bei konstantem Entladestrom einen linearen Spannungsabfall aufweist. Im Gegensatz zu einer Batterie erfolgt die Energiespeicherung in einem Superkondensator elektrostatisch, d. h. es finden keine chemischen Veränderungen im Gerät statt, und die Lade- und Entladevorgänge sind fast vollständig reversibel. Das bedeutet, dass sie eine größere Anzahl von Lade- und Entladezyklen verkraften können.

Batterien speichern Energie elektrochemisch. Das Entladeprofil von Lithium-Ionen-Batterien ist flach; sie weisen eine nahezu konstante Spannungscharakteristik auf, bis die Batterie fast vollständig entladen ist. Aufgrund der Degradation der chemischen Mechanismen ist die Anzahl der Lade- und Entladezyklen in einer Li-Ionen-Batterie begrenzt. Faktoren wie Temperatur, Ladespannung und Entladetiefe beeinflussen die Verringerung der Batteriekapazität.

Li-Ionen-Batterien können thermisch durchgehen, sich selbst entzünden und sogar explodieren. Die Wärmeentwicklung ist aufgrund chemischer Reaktionen während des Ladens und Entladens durch Widerstandsheizung unvermeidlich. Aus diesem Grund muss die Temperatur der Batterien überwacht werden, um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten.

Vergleich der Spezifikationen von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien

Batterien bieten eine hohe Energiedichte. Superkondensatoren haben eine geringere Energiedichte als Batterien, aber eine hohe Leistungsdichte, da sie fast augenblicklich entladen werden können. Die elektrochemischen Prozesse in einer Batterie benötigen mehr Zeit, um Energie an einen Verbraucher abzugeben. Beide Komponenten verfügen über Merkmale, die spezifischen Anforderungen an die Energiespeicherung entsprechen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Vergleich der Eigenschaften von Superkondensatoren und Li-Ionen-Batterien. (Bildquelle: Eaton)

Der Vergleich der Energiedichte in Wattstunden pro Liter (Wh/L) und der Leistungsdichte in Watt pro Liter (W/L) zeigt den größten Unterschied zwischen den Komponenten. Dies wirkt sich auch auf die Entladezeiten aus; Superkondensatoren sind für die Energieversorgung in kurzen Intervallen (transiente Ereignisse) gedacht, während Batterien für längere Ereignisse ausgelegt sind. Der Superkondensator entlädt sich in Sekunden oder Minuten, während eine Batterie stundenlang Energie liefern kann. Diese Eigenschaft wirkt sich auf ihre Anwendung aus.

Superkondensatoren haben einen größeren Betriebstemperaturbereich als Batterien. Ihre nahezu verlustfreien elektrostatischen Prozesse tragen ebenfalls zu ihrer höheren Effizienz und schnelleren Ladegeschwindigkeit bei.

Beispiele für Superkondensatoren

Eaton bietet ein komplettes Sortiment an zuverlässigen Superkondensatoren für Energiespeicheranwendungen, die eine hohe Leistungsdichte und eine schnelle Aufladung erfordern. Die physische Verpackung der Superkondensatoren entspricht manchmal der von Batterien, insbesondere von Knopfzellen. Sie sind auch in herkömmlichen zylindrischen Kondensatorgehäusen erhältlich (Abbildung 2).

Abbildung 2: Superkondensatoren sind in üblichen zylindrischen Kondensatorgehäusen mit radialen Anschlüssen erhältlich; einige sind so verpackt, dass sie den Formaten von Lithium-Ionen-Batterien in Knopfzellenform entsprechen. (Bildquelle: Eaton)

Der in Abbildung 2 (links) dargestellte TV1030-3R0106-R von Eaton ist ein 10 Farad (F) Superkondensator mit einer maximalen Arbeitsspannung von 3 V. Er ist in einem zylindrischen Becher mit radialen Leitungen verpackt. Der Becher hat einen Durchmesser von 10,5 Millimetern (mm) (0,413 Zoll (in)) und eine Höhe von 31,5 mm (1,24 in). Er hat einen Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +65°C und einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +85°C, wenn er auf einen Betrieb bei oder unter 2,5 V reduziert wird. Er kann 12,5 Milliwattstunden (mW/hr) Energie speichern und eine Spitzenleistung von 86,5 W abgeben. Er ist für 500.000 Lade-/Entladezyklen ausgelegt.

Superkondensatoren können Knopfzellenbatterien in vielen Anwendungen ersetzen, z. B. bei der Backup-Stromversorgung von Speichern. Der KVR-5R0C155-R von Eaton (Abbildung 2, rechts) ist ein 1,5-F-Superkondensator mit einer maximalen Arbeitsspannung von 5 Volt. Die Abmessungen der Komponente entsprechen denen einer 20-mm-Knopfzelle. Er kann eine Spitzenleistung von 0,208 Watt liefern. Sein Betriebstemperaturbereich reicht von -25°C bis +70°C. Er ist ebenfalls für 500.000 Lade-/Entladezyklen ausgelegt.

Erhöhung der Energiedichte von Superkondensatoren

Die in einem Superkondensator gespeicherte Energie ist proportional zu seiner Kapazität und dem Quadrat der Spannung, mit der er geladen wird. Die Energiedichte kann also durch die Erhöhung der Anzahl der Zellen und deren Parallelschaltung erhöht werden. Höhere Energiedichten lassen sich durch die Entwicklung von Superkondensatormodulen mit hoher Kapazität und höheren Arbeitsspannungen erreichen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Energiedichte eines Superkondensators kann durch Hinzufügen mehrerer Zellen und Erhöhung der Arbeitsspannung gesteigert werden. (Bildquelle: Eaton)

Der Superkondensator PHVL-3R9H474-R von Eaton (Abbildung 3, links) ist eine Komponente mit zwei Zellen für 470 Millifarad (mF) bei 3,9 Volt. Er hat einen sehr niedrigen effektiven Serienwiderstand (ESR) von 0,4 Ohm (Ω), um Leitungsverluste zu reduzieren, und kann eine Spitzenleistung von 9,5 W liefern. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -40°C bis +65°C. Wie die zuvor besprochenen Superkondensatoren ist er für 500.000 Lade-/Entladezyklen ausgelegt. Die Abmessungen des Gehäuses betragen 14,5 mm (0,571 in) in der Höhe, 17,3 mm (0,681 in) in der Länge und 9 mm (0,354 in) in der Breite.

Modulare Superkondensatorpakete können erhebliche Mengen an Reserveenergie liefern. Der XLR-16R2507B-R von Eaton (Abbildung 3, rechts) hat eine Kapazität von 500 F und arbeitet mit einer maximalen Spannung von 16,2 V. Das Modul hat einen ESR von 1,7 Milliohm (mΩ) und kann eine Spitzenleistung von 38,6 Kilowatt (kW) liefern. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -40°C bis +65°C (Zellentemperatur). Das Gehäuse ist 177 mm (6,97 in) hoch, 417 mm (16,417 in) lang und 68 mm (2,677 in) breit.

Hybride Superkondensatoren

Bemühungen, die Eigenschaften von Superkondensatoren und Li-Ionen-Batterien zu vereinen, haben zu einem hybriden Superkondensator geführt, der als Li-Ionen-Kondensator (LiC) bezeichnet wird. Dadurch wird die Energiedichte des Superkondensators erhöht, während er gleichzeitig schnellere Reaktionszeiten als eine Batterie bietet. Der LiC hat eine asymmetrische Struktur mit einer Anode aus lithiumdotiertem Graphit und einer Kathode aus Aktivkohle (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der hybride Superkondensator vereint die Eigenschaften eines Superkondensators und einer Lithium-Ionen-Batterie. Im Vergleich zu einer Batterie hat er eine höhere Anzahl von Lade-/Entladezyklen und höhere Entladeraten. (Bildquelle: Eaton)

Die Struktur des hybriden Superkondensators verbindet die elektrochemischen Eigenschaften der Lithiumbatterie mit den elektrostatischen Eigenschaften des Superkondensators und bietet einen spürbaren Vorteil. Die Ladungsbewegung ist ein elektrochemischer Prozess im LiC, der jedoch mit einer geringeren Tiefe als in einer Batterie erfolgt, was zu einer höheren Anzahl von Lade-/Entladezyklen und höheren Entladeraten führt. Das resultierende Entladeprofil ist dem des Superkondensators sehr ähnlich.

Der HS1016-3R8306-R zum Beispiel ist ein 30 F, 3,8 V, Hybrid-Superkondensator in einem zylindrischen Gehäuse mit radialen Leitungen. Er hat einen ESR von 0,55 Ω und kann eine Spitzenleistung von 6,6 W liefern. Sein Betriebstemperaturbereich liegt bei -15°C bis +70°C, und er hat einen erweiterten Betriebsbereich von -15°C bis +85°C, der für den Betrieb bei oder unter 3,5 V gilt. Er hat eine Nennlebensdauer von 1000 Stunden bei Nennspannung und maximaler Betriebstemperatur. Die Gehäusemaße sind 18 mm (0,709 in) für die Höhe und 10,5 mm (0,413 in) für den Durchmesser. Wie der Superkondensator ist er für 500.000 Lade-/Entladezyklen ausgelegt.

Energie- und Leistungsdichteplots

Die Verteilungen der Energie- und Leistungsdichte von Energiespeichern geben einen guten Einblick in ihren Nutzen und ihre effektive Betriebsdauer (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Gegenüberstellung der Energiedichte und der Leistungsdichte von Batterien und Superkondensatoren gibt Aufschluss über deren Betriebsdauer. (Bildquelle: Eaton)

Das Diagramm zeigt die Energiedichte im Vergleich zur Leistungsdichte. Das Verhältnis dieser Parameter ergibt die Zeit, die ebenfalls in das Diagramm eingetragen wird. Geräte mit hoher Energiedichte, aber geringer Leistungsdichte befinden sich in der oberen linken Ecke. Dazu gehören Brennstoffzellen und Batterien. Komponenten mit hoher Leistungsdichte, aber geringer Energiedichte, wie z. B. herkömmliche Kondensatoren und Superkondensatoren, befinden sich in der unteren rechten Ecke. Hybrid-Superkondensatoren liegen zwischen diesen beiden Gruppen. Beachten Sie die Zeitskala: Superkondensatoren arbeiten innerhalb von Sekunden, Hybride innerhalb von Minuten und Batterien innerhalb von Stunden oder mehr.

Anwendungen zur Energiespeicherung

Energiespeicher liefern Strom, wenn der Primärstrom ausfällt. Ein gutes Beispiel ist die Bereitstellung von Backup-Strom für Computerspeicher. Bisher wurden Batterien verwendet, doch jetzt finden Superkondensatoren aufgrund ihrer wesentlich höheren Anzahl von Lade-/Aufladezyklen Eingang in diese Anwendung. Außerdem müssen bei Superkondensatoren die Batterien nicht nach einem Jahr Betrieb ausgetauscht werden.

Superkondensatoren werden auch in IoT- und IIoT-Designs verwendet, die auf Energy Harvesting basieren. Ähnliche Anwendungen finden sie in Fahrzeugen, wo sie die beim Bremsen zurückgewonnene Energie speichern.

Superkondensatoren liefern für kurze Zeit eine hohe Leistung. Sie können in kritischen Anlagen eingesetzt werden, um die Zeitspanne von etwa zehn Sekunden zu überbrücken, bis ein Notstromaggregat in Betrieb gehen kann. Der Superkondensator lädt sich etwa in der gleichen Zeit wie die Nutzungsdauer auf und kann nach einem Stromausfall schnell wieder in Betrieb genommen werden.

Fazit

Superkondensatoren sind in den meisten Energiespeicheranwendungen eine Ergänzung zu Batterien. Durch die höhere, sofort verfügbare Leistung und die schnelle Aufladezeit sind sie ideal für die kurzfristige Stromversorgung. Die hohe Anzahl von Lade-/Wiederaufladezyklen, die sie ohne Leistungseinbußen durchlaufen können, reduziert die Kosten für die Wartung und den Austausch von Batterien.