Was ist ein elektrischer Doppelschichtkondensator?
Ein elektrischer Doppelschichtkondensator ist ein Kondensator, der die elektrische Doppelschicht, die sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt bildet, zur Speicherung einer elektrischen Ladung nutzt und sich durch eine besonders hohe Energiedichte auszeichnet. Wegen ihrer hohen Energiedichte werden sie oft mit wiederaufladbaren Batterien wie Nickel-Metallhydrid-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien verglichen. Während bei Batterien jedoch eine chemische Reaktion beim Laden und Entladen stattfindet, wird bei elektrischen Doppelschichtkondensatoren nur eine physikalische Ladung adsorbiert, eine chemische Reaktion findet nicht statt.
Aus diesem Grund sind elektrische Doppelschichtkondensatoren in Bezug auf die Energiedichte (die Menge an Energie, die pro Gewichts- oder Volumeneinheit gespeichert werden kann) den wiederaufladbaren Batterien unterlegen, haben aber andererseits den Vorteil der Leistungsdichte (die Menge an sofortiger Leistung, die entnommen werden kann) und der äußerst geringen Leistungsverschlechterung (Lebensdauer) aufgrund wiederholter Ladung und Entladung. Die Vorteile des elektrischen Doppelschichtkondensators sind wie folgt.
Anwendungen von elektrischen Doppelschichtkondensatoren
Elektrische Doppelschichtkondensatoren werden als Energiespeicher verwendet. Während wiederaufladbare Batterien für Anwendungen mit hohem Energiebedarf geeignet sind, werden elektrische Doppelschichtkondensatoren dort eingesetzt, wo ein schnelles Laden und Entladen erforderlich ist und eine lange Lebensdauer gefordert wird.
Sie werden insbesondere in Notstromversorgungen für elektronische Schaltungen in mobilen Geräten, Druckern, Fotokopierern, elektrischen Zahnbürsten, solarbetriebenen Uhren, etc. eingesetzt. Sie werden auch im robotischen Stromversorgungssystem der Asteroidensonde Hayabusa und zur Energierückgewinnung bei der Abbremsung von Fahrzeugen eingesetzt.
Funktionsweise des elektrischen Doppelschichtkondensators
Elektrische Doppelschichtkondensatoren nutzen die elektrische Doppelschicht, die an der Grenzfläche der aktiven Materialien entsteht, um den Kondensator herzustellen. Die Kapazität C ist durch die Formel “C=εS/d” definiert und aus dieser Formel ergeben sich die folgenden Maßnahmen zur Erhöhung der Kapazität C:
- Vergrößerung der Oberfläche (S) des aktiven Materials
- Verringerung der Dicke der elektrischen Doppelschicht (d)
- Die Dielektrizitätskonstante (ε) des Elektrolyten muss erhöht werden.
Der Elektrolyt besteht aus Elektrolyten wie quaternären Ammoniumsalzen und Imidazoliumsalzen, die in organischen Lösungsmitteln gelöst sind, während Aktivkohle als aktives Material für die positiven und negativen Elektroden verwendet wird; zur Erhöhung der Kapazität C sind folgende Maßnahmen erforderlich:
- Verwendung von Aktivkohle mit einer großen Oberfläche (kleine Partikelgröße)
- Verwendung von Elektrolyten mit einem kleinen Ionenradius
- Verwendung von organischen Lösungsmitteln mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
Beim Laden und Entladen von Kondensatoren wird der Effekt der Ladungszunahme an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und den paarweise angeordneten Elektroden genutzt, wenn die positiven und negativen Ionen im Elektrolyten an den jeweiligen Elektroden adsorbiert werden. Wenn die gespeicherte Ladung entladen wird, werden die Ionen aus der elektrischen Doppelschicht desorbiert. Elektrische Doppelschichtkondensatoren können zylindrisch oder gestapelt sein. Der zylindrische Typ hat den Vorteil, dass er leicht herzustellen ist, da die positive Elektrode, die negative Elektrode und der Separator einfach gestapelt, aufgerollt und in einen Zylinder gelegt werden, der dann mit Elektrolyt gefüllt wird.
Weitere Informationen zu elektrischen Doppelschichtkondensatoren
1. Lebensdauer von elektrischen Doppelschichtkondensatoren
Im Gegensatz zu Batterien findet bei elektrischen Doppelschichtkondensatoren während des Ladens und Entladens keine chemische Reaktion statt. Während die Kapazität einer wiederaufladbaren Batterie nach etwa 1000 Zyklen deutlich abnimmt, soll die Leistung eines elektrischen Doppelschichtkondensators im Prinzip auch nach 1 Million Lade-Entlade-Zyklen kaum nachlassen. In der Realität nimmt die Kapazität von elektrischen Doppelschichtkondensatoren jedoch aufgrund folgender Faktoren ab:
- Während des Ladens und Entladens erzeugt der Kondensator aufgrund des Innenwiderstands Wärme, die durch den Temperaturanstieg zu einer Verschlechterung führt, was eine Abnahme der Kapazität zur Folge hat.
- Die Degradationsrate verdoppelt sich, wenn die Temperatur der Betriebsumgebung um 10 °C ansteigt (in einer Betriebsumgebung von 70 °C oder weniger).
- Der Elektrolyt zersetzt sich, wenn der Kondensator einer Spannung ausgesetzt wird, die über der oberen Betriebsspannungsgrenze liegt.
Bei der Verwendung von elektrischen Doppelschichtkondensatoren ist es notwendig, die Auswirkungen auf die Lebensdauer zu berücksichtigen und auf den Temperaturanstieg und die Vorspannung von Spannung und Strom zu achten, wenn sie in Reihe oder parallel verwendet werden.
2. Nachteile von elektrischen Doppelschichtkondensatoren
Zu den Nachteilen von elektrischen Doppelschichtkondensatoren gehören:
Austrocknung
Dies tritt auf, wenn der Elektrolyt aus der Kapselung des elektrischen Doppelschichtkondensators nach außen verdampft. Dieser Nachteil kann durch die Verwendung von Elektrolyt mit einem hohen Siedepunkt und durch die Verkleinerung des Dichtungsbereichs unterdrückt werden.
Flüssigkeitsaustritt
Flüssigkeitsaustritt kann durch eine Verschlechterung der Butylkautschukdichtung auftreten. Dies kann durch eine Verkleinerung des Dichtungsbereichs verhindert werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, die die Beschädigung des Gummis verursacht.
Ungeeignet in Wechselstromkreisen
Das Produkt ist für die sekundäre elektrische Verwendung, z. B. als Backup in Gleichstromkreisen, vorgesehen und kann nicht in Wechselstromkreisen verwendet werden.