Vergleich mit Lithium-Ionen-Akkus

Ragone Plot Lithium-Ionen-Akku Superkondensator
Elektrochemische Energiespeicher im Vergleich

Um Superkondensatoren besser zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf andere Energiespeichertechnologien. Hierfür ist das so genannte Ragone-Diagramm hilfreich, dank der schematischen Darstellung lassen sich unterschiedliche Energiespeichertechnologien vergleichen. Dabei wird die Leistungsdichte der Energiedichte gegenübergestellt: Teilt man die Energiedichte durch die Leistungsdichte, erhält man die Zeit für eine vollständige Entladung. Bei Kondensatoren liegt diese im Bereich von Sekunden, bei Superkondensatoren ist die Größenordnung von Minuten, während die Entladungszeit bei Lithium-Ionen-Akkus zehn Stunden liegt. Dabei hängt sie im Falle der Brennstoffzelle hängt von der Größe des Wasserstofftanks ab.

Hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Einsatzbereiche macht es vor allem Sinn, Elektrochemische Kondensatoren mit Lithium-Ionen-Akkus zu vergleichen. Vor allem, weil beide für Elektromobilität eingesetzt werden. Aber auch für andere Energiespeicher kann ein Superkondensator für bestimmte Anwendungen ein sinnvoller Ersatz sein.

Kenndaten von Superkondensatoren im Vergleich mit konventionellen Energiespeichern [1]

  Bleiakku Lithium-Ionen-Akku Superkondensatoren Elektrische Kondensatoren
Ladezeit 1-5 h1-5 h0,3 – 30 s10 ns – 10 ms
Energiedichte (Wh/kg) 10 – 100  10-25 1 – 10  10-6 – 10-3
Zyklen 1.000 10.000 500.000 500.000
Leistungsdichte (W/kg) <1000 3.000 – 6.000 <10.000 >100.000
Effizienz 70 – 85% 90% 85 – 98% > 95%
max. Nennspannung 2 4,2 3,3 550

Also haben Superkondensatoren eine höhere Energiedichte als konventionelle Kondensatoren und eine deutlich höhere Leistungsdicht als Akkus oder Brennstoffzellen. Zudem ist ihre Kapazität geringer als die elektrischer Kondensatoren. Außerdem weisen elektrische Kondensatoren eine hohe Selbstentladung auf. Insofern eigenen sie sich vor allem für Systeme, bei sich denen Lade- und Entladevorgänge im Minutenbereich abspielen. Außerdem sollte das jeweilige System häufig verwendet werden.

Vergleich von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akku Vergleich Superkondensator
Lithium-Ionen-Akkus sind leistungsstarke Energiespeicher.

Zwar sind Akkus grundsätzlich die besser ausgereifte Technologie und damit verbreiteter und kostengünstiger als Superkondensatoren. Jedoch verfügen Lithium-Ionen-Akkus über eine hohe Energiedichte aber eine schlechte Leistungsdichte, hohen Innenwiderstand sowie ein schlechtes Einschwingverhalten. Damit sind sie nicht für Kurzzeitspeicherung geeignet. Zudem kann ihr hohes Gewicht problematisch sein. Dafür bieten Superkondensatoren eine hohe Leistungsdichte, ein schnelles Einschwingverhalten, meist ein geringes Gewicht und geringen Innenwiderstand, wodurch sie sich besonders für gepulste Lastanwendungen eignen. Außerdem können Superkondensatoren wesentlich öfter benutzt werden als Lithium-Ionen-Akkus, sie haben eine hohe Zyklenstabilität. Gleichzeitig wäre beispielsweise das Reichweitenproblem, an dem die Elektromobilität noch immer zu knabbern hat, wesentlich prekärer als mit den Lithium-Ionen-Akkus auf aktuellem Stand.  So machen sich beide Technologien machen nicht direkt Konkurrenz, sondern ergänzen einander.

Allerdings ist eine weitere Herausforderung für Superkondensatoren die für viele Anwendungen erforderliche hohe Spannung, die mit Lithium-Ionen-Akkus viel zuverlässiger bereit gestellt werden kann. Aufgrund der Beschränkung einzelner Superkondensator Zellen auf eine niedrige Spannung müssen viele in Reihe geschaltet werden. Sowohl die Kapazität als auch der Ableitwiderstand der einzelnen Zellen müssen während der gesamten Lebensdauer des Elektrochemische Kondensatoren sehr gleichmäßig sein. Dabei kann verhindert werden, dass Überspannungen und damit Beschädigungen auftreten.

Quellen

1. Kötz, R. and M. Carlen, Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica acta, 2000. 45(15-16): p. 2483-2498.