Funktionsweise

Superkondensator Zelle und Modul

Von der individuellen Zelle zum Superkondensator Modul: Der grundlegende Aufbau ist leicht verständlich

Bei der Beschäftigung mit der Funktionsweise von Superkondensatoren setzt man sich auch mit grundlegenden elektrochemischen Phänomenen auseinander, die sowohl für Natur als auch Technik eine fundamentale Rolle spielen. Eines dieser Konzepte ist die elektrochemische Doppelschicht, eine Grenzschicht zwischen benachbarten, gegensätzlich geladenen Schichten. Diese elektrochemische Doppelschicht spielt auch in unserem Körper, bei Makromolekülen oder der DNA, eine entscheidende Rolle. In Superkondensatoren findet die eigentliche Energiespeicherung ebenfalls in der elektrochemischen Doppelschicht statt, die sich beim Anlegen einer Spannung an der Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt ausbildet.

Doch bevor in die Details einsteigen, erst mal ein Einblick in den grundlegenden Aufbau von Superkondensatoren. Im Grunde sind Superkondensatoren eine Zwischenform von elektrischen Kondensatoren und Batterien, da hier sowohl elektrostatische als auch elektrochemische Vorgänge ablaufen können. Entsprechend verfügen sie auch über Eigenschaften, die Vorteile von beiden Technologien verbinden. Es kommt in Superkondensatoren nicht zu chemischen Beindungen, so dass die Bauteile weniger durch mechanischen Stress belastet sind. Das bedeutet auch, dass die Lebenszeit wesentlich höher ist. Gleichzeitig können einige Superkondensatoren auch elektrochemische Vorgänge wie Ionentrennung beinhalten, wie dies auch bei anderen Energiespeichern wie Batterien oder Akkus der Fall ist. Ob dies der Fall ist, hängt von den verbauten Materialien ab, diese müssen redoxaktiv sein. Mit einer höhreren Redoxaktivität steigt zumeist die Energiedichte, nimmt aber auch die Langlebigkeit ab.

Grundsätzlich sind Superkondensatoren sind aus zwei Elektroden, die zumeist aus Kohlenstoff bestehen, aufgebaut. Ein Separator trennt die beiden Elektroden mechanisch voneinander und verhindert so einen Kurzschluss. Gleichzeitig wird der Seperator mit Elektrolyt-Flüssigkeit getränkt, so dass die Ionenwanderung möglich ist und diese Ladungsträger sich entsprechend ihrer Ladung sortieren können. So bildet sich die bereits erwähnte Doppelschicht bildet aus.

Netzstabilität Superkondensator
Auch für die Versorgungssicherheit können Superkondensatoren eine entschiedende Rolle spielen.

Verschiedene Formen von Kapazität

Ein wichtiger Kennwert für die Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren ist ihre Kapazität. Diese physikalische Größe beschreibt, wie sehr sich eine Änderung der elektrischen Ladung in einem System auf das elektrische Potential auswirkt. Also wie stark sich dieses ändert, wenn mehr oder weniger Ladung vorhanden ist. Damit ist Kapazität das Verhältnis von Ladung und Spannung. Folglich drückt die Kapazität aus, welche Ladungsmenge bei einer bestimmten Spannung gespeichert werden kann. Das ist nichts anderes als eine Angabe über die Fähigkeit, Energie zu speichern.

Die Kapazität von Superkondensatoren ergibt sich aus der Summe zweier verschiedener Speicherprinzipien: der Kapazität der Doppelschicht und der so genannten Pseudokapazität. Zwar können diese beiden Arten von Kapazität messtechnisch nicht unterschieden werden, ihnen liegen aber unterschiedliche Ursachen zu Grunde. Außerdem sind beide Phänomene äußerst spannend.

Wenn Superkondensatoren nur auf elektrochemische Kapazität beruhen, wird die elektrische Energie direkt und ohne Umwandlung in chemische Energie – wie bei Batterien – gespeichert. Dieser Vorgang weist einen äußerst hohen Wirkungsgrad auf. Allerdings verfügen Superkondensatoren, die auch Pseudokapazität aufweisen, über eine höhere Energiedichte.

Die Kapazität der elektrochemischen Doppelschicht

Sicherlich ist die elektrochemische Doppelschicht eines der faszinierendsten Phänomene der Elektrochemie. Gleichzeitig ist sie ein wichtiger Schlüssel, um Energiespeicher wie Superkondensatoren, elektrische Kondensatoren oder auch Batterien zu verstehen. Denn hier spielen sich an der Oberfläche der Elektrode in atomarem Abstand, also in einer winzigen Schicht, die hunderttausendmal dünner ist als ein menschliches Haar, die Grundlagen vieler moderner Energiespeicher ab. Ihre wichtigste Eigenschaft ist, dass sie das elektrische Potential in der  Nähe  der  Elektrode  beeinflusst.

elektrochemische Doppelschicht Kapazität
Schematische Darstellung des Lade- und Entladevorgangs in der Doppelschicht in einem Superkondensator

Grundsätzlich ist ein Elektrolyt ein Gemisch aus positiv und negativ geladenen Ionen und einem Lösungsmittel. Die Kapazität der Doppelschicht beruht auf einer Trennung und strukturierten Anordnung dieser Ladungsträger am Übergang von Elektrode und Elektrolyt. Durch das Anlegen einer externen Spannung werden die Elektroden entgegengesetzt polarisiert. So ordnen sich positive und negative Ionen im Elektrolyt entgegengesetzt zu diesen Oberflächenladungen an der Phasengrenze an, um diese zu kompensieren.  Dabei entsteht eine Schicht aus Ladungsträgern an der Phasengrenze. Eine zweite Schicht aus dissoziierten und solvatisierten Ionen entgegengesetzter Polarität, die wiederum auch einen lokalen Überschuss ausgleichen, befindet sich im angrenzenden Bereich des Elektrolyts. Wiederum werden diese beiden Schichten durch eine molekulare Schicht aus polaren Molekülen des Lösungsmittels getrennt. Folglich hängt die Dicke der elektrochemischen Doppelschicht, die sich aus den drei eben beschriebenen Komponenten zusammen setzt, von der Konzentration des Elektrolyts und dem Radius der gelösten Ionen ab.

Elektrochemische Pseudokapazität

Neben den oben beschriebenen Vorgängen, die keine chemische Reaktion beinhalten, können manche Ionen aus dem Elektrolyt die polarisierte Schicht aus Lösungsmittelmolekülen überwinden und in Kontakt mit der Oberfläche der Elektrode kommen. Ob dies geschieht hängt vor allem vom Elektrodenmaterial und dessen Struktur ab. Beim Ionen-Elektroden Kontakt kommt es zu einer chemischen Reaktion. Die Ionen geben ein Elektron an die Elektrode ab, sie werden also oxidiert. Dieser Vorgang ist reversibel und es handelt sich um eine Redoxreaktion. Man spricht von Pseudokapazität, da keine chemischen Bindungen eingegangen werden, sondern lediglich ein Elektronentransfer stattfindet. Die Pseudokapazität hängt stark von der Struktur des Elektrodenmaterials ab. Diese Materialeigenschaften sind damit ein wichtiger Faktor bei der Optimierung von elektrochemischen Kondensatoren.

Welche Art der Kapazität überwiegt?

Das Speichervermögen hängt in beiden Fällen stark vom Bedeckungsgrad ab, welcher wiederum vom Potential abhängt. Allerdings sind die Ionen, die pseudokapazitive Phänomen hervorrufen, desolvatisiert, also deutlich  kleiner als die Ionen, die die Doppelschicht bilden, welche noch von Lösungsmittelmolekülen umgeben sind. Damit ist die Pseudokapazität in Abhängigkeit vom Elektrodenmaterial bis zu hundertfach größer als die Kapazität der Doppelschicht .

Kohlenstoff Superkondensator
Kohlenstoff ist ein unheimlich vielseitiges Material, das diverse Strukturen ausbilden kann. Hier ist ein Kohlenstoffnanoröhrchen zu sehen.

Wie hängen Material und Kapazität zusammen?

Wie bereits erwähnt: die Kapazität ergibt sich aus der Summe der Doppelschicht- und Pseudokapazität für einen Superkondensator. Welche Möglichkeit welchen Anteil ausmacht hängt vor allem an den Materialen. Folglich unterscheidet man drei verschiedene Grundtype anhand der Elektrodenmaterialien:

Doppelschichtkondensator Pseudokondensator Hybridkondensator
Aktivkohle
Andere Kohlenstoffmaterialien
NanoröhrchenAerogel
Polymer
Metalloxid
Assymetrische Elektroden
Kompositelektroden
Batterieelektroden

Meist sind Hybridkondensatoren asymmetrisch aufgebaut, d.h. die Pseudokapazität überwiegt an der einen Elektrode, die Kapazität der Doppelschicht an der anderen. Die Abhängigkeit der dominierenden Kapazitätsform vom Material ist eine tolle Sache. So kann man Superkondensatoren ganz explizit entsprechend der spezifischen Anforderungen eines bestimmten Anwendungsgebiets designen. Zudem hat man mit den Elektrodenmaterialien auch einen Einfluss auf Preis, Umweltverträglichkeit und Sicherheit. 

Wie hängen Kapazität und Porenstruktur zusammen?

Da das Eindringen von Elektrolyt-Ionen durch die Porengröße von Aktivkohle bestimmt wird, hat diese auch einen großen Einfluss auf die Kapazität. Auch hier kann genutzt werden, dass Kohlenstoffmaterialien ein hohes Maß ein Designbarkeit und vergleichsweise geringe Kosten bieten. Dies macht sie
zu einer der faszinierendsten Stoffklassen, die durch eine unheimliche Vielfalt besticht. In Porensystemen müssen die Ladungsträger unterschiedlich lange Wege durchlaufen. Während des Ladens werden die positiven und negativen Ionen des Elektrolyten zu Elektroden mit entgegengesetzter Polarität gezogen, wo sie sich in Schichten innerhalb der Aktivkohleporen ansammeln. Mit zunehmender Zahl an Ionen in einer Pore erhöht sich die Kapazität, der fließende Strom muss einen erhöhten Widerstand überwinden. Diesen zeitlichen Faktor muss man auch bei einer Messung der Kapazität bedenken, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.