Als Brücke zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien finden Superkondensatoren in immer mehr Anwendungen Verwendung.
Superkondensatoren sind hochmoderne Energiespeichergeräte, die eine breite Palette sehr nützlicher Eigenschaften bieten, darunter hohe Kapazität und Leistungsdichte und verlängerte Zykluszeiten. Superkondensatoren, auch als Ultrakondensatoren bekannt, schließen effektiv die Lücke, die derzeit zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien besteht.
Ein typischer Doppelschicht-Superkondensator unterscheidet sich von einem herkömmlichen Kondensator in zwei wichtigen Punkten. Die Metallplatten eines Superkondensators weisen eine viel größere Oberfläche auf als bei einem gewöhnlichen Kondensator, und der Abstand zwischen den Platten ist wesentlich kleiner, da der Separator zwischen ihnen anders funktioniert als ein herkömmliches Dielektrikum.
In einer Batterie sind Laden und Entladen elektrochemische Reaktionen. Superkondensatoren speichern Ladung elektrostatisch auf ihren Platten mit großer Oberfläche. Die Geräte speichern weniger Energie, können jedoch in Sekundenschnelle geladen oder entladen werden. Daher werden Superkondensatoranwendungen hauptsächlich zur Bereitstellung kurzer Stromstöße verwendet. Zumindest in absehbarer Zukunft werden Batterien die bevorzugte Wahl bleiben, wenn es darum geht, große Energiemengen über lange Zeiträume zu speichern.
Vorteile von Superkondensatoren
In den letzten Jahrzehnten haben sich Superkondensatoren von einer exotischen und ungewöhnlichen Designoption zu einer immer häufiger routinemäßig eingesetzten Technologie entwickelt, die für Anwendungen von Batterie-Backups bis hin zur Verhinderung von Speicherverlusten durch versehentliches Löschen geeignet ist. Für Ingenieure sind Superkondensatoren aufgrund der zahlreichen Vorteile dieser Technologie attraktiv, zu denen auch ihre hervorragende Leistung und Zuverlässigkeit zählen.
Eine wichtige Eigenschaft von Superkondensatoren besteht darin, dass sie unter normalen Bedingungen Hunderttausende Male geladen und entladen werden können. Im Gegensatz zu einer elektrochemischen Batterie, die eine definierte Zyklenlebensdauer hat, entsteht beim Zyklisieren eines Superkondensators nur wenig Verschleiß. Darüber hinaus bieten Superkondensatoren schnellere Lade-/Entladezyklen als Batterien.
Superkondensatoren werden für ihre Strombelastbarkeit auf einem Niveau geschätzt, das alternative Geräte aufgrund des ESR nicht bieten können. Superkondensatoren können außerdem größere Temperaturbereiche bewältigen als Batterien.
Bei Verwendung zur Batterieunterstützung kann die Superkondensatortechnologie die Lebensdauer von Primär-/Sekundärbatterien erheblich verlängern, normalerweise um mindestens das Doppelte.
Sicherheit ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung vieler verschiedener Produkte, insbesondere mobiler und tragbarer Geräte. Im Gegensatz zu einigen Batterietypen, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), bei denen bei Beschädigung, Überladung, Überhitzung oder Kurzschluss eine Brand- und Explosionsgefahr besteht, sind Ausfälle von Superkondensatoren nie katastrophal. Sie sind außerdem umweltfreundlich, da bei ihrer Entsorgung im Gegensatz zu Batterien nicht die gleichen Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind.
Erfahren Sie mehr über die Vorteile von Superkondensatoren.
Superkondensatortypen
Die Leistung eines Superkondensators hängt in hohem Maße von seinem Elektrodenmaterial und Elektrolyt ab. Die Elektroden eines Superkondensators mit großer Oberfläche bestehen aus einem porösen Material. Die Ladung wird typischerweise in der Nähe der Grenze zwischen Elektrolyt und Elektrodenmaterial gespeichert. Bei Doppelschichtkondensatoren werden Elektroden üblicherweise aus Kohlenstoff-Aerogel, Kohlenstoffgewebe oder Ruß hergestellt.
Einige Superkondensatoren enthalten einen wässrigen Elektrolyten, während andere einen organischen Elektrolyten aufweisen. Zu den häufig verwendeten organischen Elektrolyten gehören Acetonitril und Propylencarbonat.
Im Zentrum dieser Technologie stehen zylindrische Superkondensatoren. Die Geräte sind so konzipiert, dass sie einem breiten Spektrum von Ingenieuren in der Industrie- und Verbrauchertechnologie eine Lösung bieten, die optimale Impulsbelastbarkeitseigenschaften bietet und die Konkurrenz bei gleichzeitig wettbewerbsfähigen Kosten deutlich übertrifft.
AVX bietet zylindrische Superkondensatoren in einer breiten Palette von Montagekonfigurationen an, darunter Planarmontagen mit zwei bis vier Anschlüssen, Durchsteckmontagen, Durchsteckmontagen mit erweitertem Abstand und Drahtanschlussmontagen. Es sind auch in Reihe geschaltete Module erhältlich.
Superkondensator-Anwendungen
Obwohl Superkondensatoren eine relativ neue Technologie darstellen (zumindest im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren), sind die Geräte jetzt für den Einsatz in einer breiten Palette von Anwendungen bereit. Eine der ersten Anwendungen von Superkondensatoren bestand in der Verwendung als Backup für Primärbatterien, um kurze Stromunterbrechungen zu überbrücken oder den Stromfluss zu glätten. In dieser noch immer weit verbreiteten Funktion finden sich Superkondensatoren in unterbrechungsfreien Spannungsversorgungen (USVs), drahtlosen Alarmsystemen, intelligenten Zählern und sogar Solid-State-Laufwerken (SSDs).
Superkondensatoren werden auch häufig zur Stromversorgung in Impulsanwendungen, der Telemetrie, der Spitzenleistungsunterstützung und elektronischen Schlössern verwendet. Darüber hinaus nutzen viele Ingenieure die Superkondensatortechnologie als beste Möglichkeit, Notstromaggregate bei Stromausfällen zu starten und Strom bereitzustellen, bis die Umschaltung ihre volle Geschwindigkeit erreicht hat. In Japan werden in Gewerbegebäuden häufig große Superkondensatoren installiert, um den Netzverbrauch in Spitzenlastzeiten zu senken und die Belastung zu verringern.
Superkondensatoren werden heute auch häufig zum Energy Harvesting eingesetzt, um die aus Solarzellen, Windturbinen, Meereswellen und anderen externen Quellen gesammelte Energie aufzufangen und zu speichern und so Elektronik mit geringem Energieverbrauch mit Strom zu versorgen. Superkondensatoren, die in widrigen Umgebungen über einen weiten Betriebstemperaturbereich hinweg betrieben werden können und gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte und Zuverlässigkeit bieten, eignen sich auch ideal für den Einsatz in IoT-Sensor- und Kommunikationsdesigns.
Immer mehr Ingenieure setzen mittlerweile auf Superkondensatoren als leistungsstarke Energiespeicher, die zum schnellen Wachstum der Elektronik mit geringem Stromverbrauch beitragen können. Tragbare elektronische Geräte wie Smartphones, Smartwatches, GSM/GPRS-Module und tragbare medizinische Geräte können alle von der Superkondensator-Technologie profitieren. Honeywell bietet jetzt beispielsweise einen batterielosen superkondensatorbetriebenen UPC-Scanner an, der innerhalb von Sekunden vollständig aufgeladen werden kann. Der Hersteller verspricht eine Lebensdauer von mehr als acht Jahren, also etwa sechsmal länger als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.
Der Automobilsektor entwickelt sich zu einem weiteren führenden Anwender von Superkondensatoren und integriert die Technologie in verschiedene Fahrzeugsysteme. Start-/Stopp-Funktionen und Servolenkung können von der Leistung und Temperaturtoleranz der Technologie profitieren. Superkondensatoren versprechen künftig die Möglichkeit, die Batterien von Hybridfahrzeugen schnell aufzuladen, da diese in Verbindung mit dem Benzinmotor von Autos oder LKWs betrieben werden. Mit eingebauten Superkondensatoren können Hybridfahrzeuge längere Strecken mit Hochleistungssteuerung und Effizienz zurücklegen.
Auch die Bahnindustrie hat begonnen, das Potenzial der Superkondensator-Technologie zur Energiegewinnung zu erkennen. Das spanische Bahnunternehmen CAF bietet beispielsweise Greentech Evodrive an, ein auf Superkondensatoren basierendes Energiegewinnungssystem für Straßenbahnen. Die Technologie gewinnt die beim Bremsen freigesetzte kinetische Energie zurück und verbessert so die Gesamtenergieeffizienz der Straßenbahn.
Der AVX-Vorteil
AVX bietet die größte Auswahl an standardmäßigen zylindrischen Superkondensatoren und bietet die Möglichkeit, individuelle Designanforderungen zu erfüllen. AVX bietet ein vielfältiges Teileangebot mit Schwerpunkt auf maximaler Energiespeicherung, niedrigem ESR und minimalem Leckstrom.
Die zylindrischen elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren der Serien SCC und SCM des Unternehmens bieten beispielsweise aufgrund der Kombination aus sehr hoher Kapazität und sehr niedrigem ESR hervorragende Impulsbelastbarkeitseigenschaften. Bei Einzelverwendung oder in Verbindung mit Primär- oder Sekundärbatterien bieten die Geräte eine längere Überbrückungszeit und Batterielebensdauer sowie bei Bedarf sofortige Stromimpulse.
Der BestCap-Superkondensator der BZ-Serie von AVX ist ein Puls-Superkondensator mit niedrigem ESR, der auf dem ungefährlichen protonenaktivierten Polymersystem basiert. Das Produkt konkurriert direkt mit Geräten, die mit organischen Elektrolyten hergestellt werden, hat jedoch einen viel größeren Spannungsbereich von 3,6 V bis 20 V (organische Elektrolyte sind normalerweise auf etwa 3 V pro Zelle begrenzt). BestCap bietet einen Temperaturbereich von -20 °C bis +70 °C – also mehr als Batterien – und dazu bestimmte verfügbare Werte zwischen -40 °C und +75 °C. BestCap bietet von allen Superkondensatoren den „kondensatorähnlichsten“ Frequenzgang und zeichnet sich durch einen niedrigen ESR-Wert und platzsparendes Design aus.
Die prismatischen PrizmaCap-Superkondensatoren der SCP-Serie von AVX bieten das niedrigste Profil und den größten Betriebstemperaturbereich, der bei AVX-Superkondensatoren verfügbar ist. Bei unabhängiger Verwendung oder in Verbindung mit Primär- oder Sekundärbatterien bieten die Geräte eine verlängerte Sicherungszeit mit längerer Batterielebensdauer und bei Bedarf sofortigen Stromimpulsen. Die Geräte sind auf Anwendungen ausgerichtet, die Impulsleistungsverarbeitung, Energiespeicherung, Energie-/Leistungserhaltung und Batterieunterstützung erfordern.
Alle Superkondensatorserien von AVX können in den Bereichen Leitungsorientierung, Kabelbaumanschlüsse, Verpackung und nicht standardisierte Angebote hinsichtlich Spannung, Kapazität und anderen wichtigen Merkmalen individuell angepasst werden. Für Superkondensator-Anwendungen mit höherer Spannung kann AVX kundenspezifische Modulbaugruppen entwerfen und bauen, vollständig mit Gehäuse, Ausgleich und Unterstützung für die Zustandsüberwachung.
Nach vorne lehnen
Superkondensatoren sind eine schnell wachsende Energiespeichertechnologie, die sich für eine wachsende Zahl von Anwendungen zu einer immer beliebteren Designwahl entwickelt hat. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien heute in zahlreichen privaten und gewerblichen Geräten zum Einsatz kommen, wird die Technologie hinsichtlich Leistungsdichte und Anzahl der Lade-/Entladezyklen nie mit Superkondensatoren konkurrieren können.
Da Superkondensatoren immer häufiger zum Einsatz kommen und neue Anwendungen ins Auge gefasst werden, sind Forscher auf der ganzen Welt bestrebt, Leistung und Kompatibilität zu steigern, indem sie neue Formen dielektrischer Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren, Polypyrrol und Bariumtitanat untersuchen, die allesamt eine Verbesserung der Kapazität und Energiedichte versprechen.
Bleiben Sie dran – die Geschichte der Superkondensatoren hat gerade erst begonnen.
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