Für die Kondensatortechnik ergeben sich im Zuge einer steigenden Nachfrage nach Superkondensatoren, welche Energiespeicheranwendungen durchführen, immer mehr Anwendungsmöglichkeiten über Leiterplatten hinaus – welche Batterien in Anwendungen wie Datenspeichern, tragbaren Geräten, Elektroautos und Smart Grids ergänzen oder sogar ersetzen.
Der Superkondensatormarkt wird sich Erkenntnissen von Lux Research zufolge von 466 Millionen $ im Jahr 2013 auf 836 Millionen $ im Jahr 2018 mehr als verdoppeln.
Herkömmliche Kondensatoren sind in den heutigen elektronischen Systemen allgegenwärtig: Jedes Jahr werden Millionen von ihnen für praktisch jeden Produkt- und Anwendungsmarkt geliefert: von Computern über Wireless-Handsets bis zu Fernsehern oder Autos. Kondensator dienen meist der Stromregulierung und halten mithilfe von durch Isolatoren voneinander getrennten paarweisen Leitern elektrische Ladungen zurück.
Kondensatoren werden oft mit Batterien verglichen, auch wenn sie sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Leistung, welche für die Eignung des jeweiligen Gerätetyps für bestimmte Zwecke maßgebend sind, grundlegend unterscheiden. Kondensatoren sind passive Komponenten, die elektrische Ladungen aus Schaltkreisen beziehen, diese für kurze Zeit speichern und dann vollständig freigeben. Batterien dienen dagegen als Energiequelle für elektronische Systeme. Batterien speichern elektrische Energie in elektrochemischen Zellen. Sie führen hohe elektrische Ladungen über einen längeren Zeitraum und sind in der Lage, diese langsam abzugeben.
Hochgetrimmte Kondensatoren
Durch die neuen Superkondensatoren verschwimmt zunehmend die klare Einteilung in Kondensator- und Batterietechnologien.
Superkondensatoren können bis zur hundert mal so viel Energie pro Volumeneinheit speichern wie elektrolytische Kondensatoren. Das Auf- und Entladen erfolgt zudem viel schneller als bei Batterien. Zudem überstehen Superkondensatoren wesentlich mehr Lade- und Entladezyklen als herkömmliche wiederaufladbare Batterien.
Weitere Vorteile der Superkondensatoren sind ihre höhere Leistungsdichte, eine höhere Spitzenleistungsbereitstellungsfähigkeit, das kompaktere Format und der geringere äquivalente Serienwiderstand (ESR). Zudem können Superkondensatoren wie herkömmliche Batterien ihre Energie sehr langsam abgeben.
Die aktuellen Superkondensatormodelle bestehen aus Aktivkohle. Gegenwärtig werden jedoch Materialien wie Graphen und nanostrukturierter Kohlenstoff untersucht, welche eine höhere Leistung ermöglichen. Wissenschaftler sind dabei, Geräte zu entwickeln, in denen die Funktionen und Technologien von Superkondensatoren und Batterien miteinander kombiniert werden.
Datenspeicherung per Superkondensatortechnik
Superkondensatoren ersetzen zunehmend Batterien in Bereichen, in denen hohe Stromstärken über kurze Zeiträume benötigt werden. Einer dieser Bereiche ist der Datenspeicher. In dieser Anwendung werden die besonderen Vorzüge von Superkondensatoren benötigt, welche über kurze Zeitspannen mittlere oder hohe Spannungswerte benötigen.
Zu den Produkten zählen insbesondere SSDs (Solid State-Laufwerke) und redundante Arrays unabhängiger Datenträgersysteme (RAIDs). RAID-Systeme diesen der Datensicherung bei Zwischenfällen wie Stromausfällen. Durch eine Unterbrechung der Stromzufuhr können Informationen, die sich im flüchtigen Speicher befinden, verloren gehen.
Durch Weiterentwicklungen im Speicherbereich wurde es möglich, Batterien in RAID-Reservestromanwendungen durch Superkondensatoren zu ersetzen. Zur Unterstützung von Technikern bei der Entwicklung von RAID-Sicherungssystemen bietet die Linear Technology Corp. einen Satz an Mikrochips für Superkondensatoren zur Einrichtung eines RAID-Sicherungssystems an. Die Lösung von Linear Technology besteht aus dem Superkondensator LTC®3625, dem LTC4412 PowerPath™-Controller und dem DC/DCW LTM®4616- Gleichspannungswandler mit doppeltem Ausgabe-μModul®.
Von Standard- zu Superkondensatoren
Mithilfe von Graphen lassen sich neue Superkondensatortypen entwickeln, die sich für den Einsatz in Elektrofahrzeugen eignen.
Das Gwangju Institute of Science and Technology in Korea gab die Entwicklung von Superkondensatoren auf Graphenbasis bekannt, welche fast die gleiche elektrische Speicherkapazität wie Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, aber bereits nach 16 Sekunden aufgeladen sind. Solche Eigenschaften sind z. B. für die Rückgewinnung der beim Bremsen genutzten Energie nützlich, wenn es auf schnelles Aufladen ankommt.
Grid-Lösung
Die derzeit in der Entwicklung befindlichen Superkondensator-Technologien ließen sich auch in Speicher für neue intelligente Stromnetze anwenden.
Immer mehr Strom wird aus Solar- und Windenergie erzeugt. Die vielen Unsicherheitsfaktoren bei diesen Formen der Stromerzeugung stehen einer weiteren Verbreitung dieser erneuerbaren Energiequellen im Wege. Solarenergie kann nur erzeugt werden, wenn die Sonne scheint, und die Windenergie nur dann, wenn genügend Wind weht.
Mit stromnetzbasierter Speicherung lässt sich dieses Problem durch Speicherung der erneuerbaren Energie für die spätere Verwendung beheben. Die Kapazität und Aufladegeschwindigkeit herkömmlicher Superkondensatoren und Batterien ist jedoch begrenzt.
Forscher am College of Engineering der Drexel University sind dieses Problem mit der Entwicklung einer Technologie angegangen, in der Elemente von Batterien und Superkondensatoren miteinander kombiniert werden.
Der an der Drexel University entwickelte elektronische Flusskondensator (EFC) besteht aus einer elektrochemischen Zelle, die mit zwei externen Elektrolytgefäßen verbunden ist, und damit im Aufbau den in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batterien ähneln.
Aufgrund seines Designs lässt sich der EFC so konstruieren, dass sich darin ausreichende Energiemengen wie in einer Batterie speichern lassen. Gleichzeitig lassen sich bei entsprechendem Bedarf wie bei einem Superkondensator in kurzer Zeit große Energiemengen daraus beziehen.
Große Entwicklungsfortschritte bei Mikrokondensatoren
Im California NanoSystems Institute der UCLA wurde die Entwicklung eines Hybrid-Superkondensatoren bekanntgegeben, welcher sowohl über Batterie- als auch Superkondensatoreigenschaften verfügt. Informationen der UCLA zufolge können Hybrid-Superkondensatoren hohe Energiemengen speichern, lassen sich schnell aufladen und überstehen über 10.000 Wiederaufladezyklen. Die UCLA gab zudem eine Mikrosuperkondensatorausführung der Technologie bekannt.
In diesen an der UCLA entwickelten Komponenten befindet sich eine Kombination aus Graphen-Laserspuren mit Mangandioxid. Ein LSG kann elektrische Ladungen speichern, ist sehr leitfähig und lässt sich schnell aufladen und wiederaufladen. Bei Mangandioxid handelt es sich um das gleiche Material, das aufgrund seiner hohen Ladespeicherkapazität derzeit auch in Alkalibatterien verwendet wird. Mangandioxid ist zudem preiswert und in großer Menge verfügbar.
Der von der UCLA angekündigte Mikrosuperkondensator ist kompakt und für den Einsatz in tragbaren und implantierbaren Geräten geeignet. Die Dicke des Mikrosuperkondensators beträgt nur ein Fünftel derer eines Blatt Papiers, dennoch lässt sich damit mehr als die doppelte Ladung einer durchschnittlichen Dünnfilm-Lithium-Batterie speichern.
Ladekapazität
Viele dieser Technologien befinden sich derzeit noch in einer frühen Entwicklungsphase. In Zukunft könnten Superkondensatoren jedoch eine immer wichtigere Rolle bei der Energiespeicherung spielen und Batterien in vielen Anwendungsbereichen ergänzen oder sogar ersetzen.