Verstehen von Superkondensatoren und deren Anwendungen

Superkondensatoren sind hochmoderne Energiespeichergeräte, die eine Vielzahl von begehrten Eigenschaften bieten, darunter hohe Kapazität, hohe Leistungsdichte und lange Zyklenzeiten. Auch bekannt als Ultrakondensatoren, überbrücken Superkondensatoren effektiv die Lücke, die derzeit zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien besteht.

Ein typischer Doppelschicht-Superkondensator unterscheidet sich in zwei wichtigen Aspekten von einem herkömmlichen Kondensator. Die Metallplatten eines Superkondensators bieten eine deutlich größere Oberfläche als die eines gewöhnlichen Kondensators, und der Abstand zwischen den Platten ist erheblich 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 Hochflächen-Elektroden. Die Geräte speichern weniger Energie, können jedoch innerhalb von Sekunden geladen oder entladen werden. Daher werden Superkondensator-Anwendungen hauptsächlich dazu genutzt, kurze Energieschübe zu liefern. Zumindest in absehbarer Zukunft werden Batterien die bevorzugte Wahl bleiben, um große Energiemengen über lange Zeiträume hinweg zu speichern.

Vorteile von Superkondensatoren

In den letzten Jahrzehnten haben sich Superkondensatoren von einer exotischen, einzigartigen Designwahl zu einer regelmäßig genutzten Technologie entwickelt, die für Anwendungen geeignet ist, die von Batterie-Backups bis hin zur Vermeidung von versehentlichem Speicherverlust reichen. Ingenieure fühlen sich von den zahlreichen Vorteilen der Technologie angezogen, einschließlich hervorragender Leistung und Zuverlässigkeit.

Ein entscheidendes Merkmal von Superkondensatoren ist, dass sie unter normalen Bedingungen Hunderttausende von Lade- und Entladevorgängen bewältigen können. Im Gegensatz zu einer elektrochemischen Batterie, die eine definierte Lebensdauer für Ladezyklen hat, verursacht das zyklische Laden und Entladen eines Superkondensators kaum Verschleiß. Darüber hinaus ermöglichen Superkondensatoren schnellere Lade- und Entladezyklen als Batterien.

Superkondensatoren werden aufgrund ihrer Stromverarbeitungskapazitäten geschätzt, die von alternativen Geräten aufgrund des ESR nicht erreicht werden können. Superkondensatoren sind zudem in der Lage, größere Temperaturbereiche zu bewältigen als Batterien.

Bei der Unterstützung von Batterien kann die Superkondensator-Technologie die Lebensdauer von Primär-/Sekundärbatterien erheblich verlängern, in der Regel um mindestens das Doppelte.

Sicherheit ist ein wichtiger Aspekt in vielen verschiedenen Arten von Produktdesigns, insbesondere bei mobilen und tragbaren Geräten. Im Gegensatz zu einigen Batterietypen, wie Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), die bei Beschädigung, Überladung, Überhitzung oder Kurzschlüssen ein Brand- und Explosionsrisiko darstellen, sind Ausfälle von Superkondensatoren nie katastrophal. Sie sind zudem umweltfreundlich, da sie im Gegensatz zu Batterien nicht dieselben Vorsichtsmaßnahmen bei der Entsorgung erfordern.

Erfahren Sie mehr über die Vorteile von Superkondensatoren.

Superkondensator-Typen

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 üblicherweise in der Nähe der Grenzfläche gespeichert, die zwischen dem Elektrolyt und dem Elektrodenmaterial besteht. Bei Doppelschicht-Kondensatoren werden die Elektroden häufig aus Kohlenstoffaerogel, Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffschwarz hergestellt.

Einige Superkondensatoren verwenden ein wässriges Elektrolyt, während andere ein organisches Elektrolyt enthalten. Häufig verwendete organische Elektrolyte sind Acetonitril und Propylencarbonat.

Zylindrische Superkondensatoren sind das Grundarbeitsgerät der Technologie. Die Geräte wurden entwickelt, um Ingenieuren aus einer Vielzahl von Industrie- und Verbrauchertechnologien eine Lösung zu bieten, die optimale Impulsleistungseigenschaften liefert und die Konkurrenz deutlich übertrifft, während sie gleichzeitig kosteneffizient bleibt.

AVX bietet zylindrische Superkondensatoren in einer Vielzahl von Montagekonfigurationen an, darunter zwei- bis vierpolige planare Montagen, Durchsteckmontagen, erweiterte abgesetzte Durchsteckmontagen und Drahtanschlussmontagen. Serienverbundmodule sind ebenfalls erhältlich.

Superkondensator-Anwendungen

Obwohl Superkondensatoren eine relativ neue Technologie sind (zumindest im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren), sind die Geräte inzwischen bereit für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen. Eine der frühesten Anwendungen von Superkondensatoren war die Unterstützung von Hauptbatterien, um kurze Stromunterbrechungen zu überbrücken oder den elektrischen Strom zu glätten. In dieser noch immer weit verbreiteten Rolle finden sich Superkondensatoren in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs), drahtlosen Alarmsystemen, intelligenten Zählern und sogar Solid-State-Laufwerken (SSDs).

Superkondensatoren werden ebenfalls häufig eingesetzt, um Energie für Impulsanwendungen, Telemetrie, Spitzenleistungsunterstützung und elektronische Schlösser bereitzustellen. Darüber hinaus wenden sich viele Ingenieure der Superkondensator-Technologie zu, da sie als beste Methode gilt, Notstromgeneratoren bei Stromausfällen zu starten und Energie bereitzustellen, bis die Umschaltung voll funktionsfähig ist. In Japan werden große Superkondensatoren häufig in Geschäftsgebäuden installiert, um den Netzverbrauch während Spitzenlastzeiten zu reduzieren und die Belastung zu verringern.

Superkondensatoren werden heutzutage häufig als Energieerntesysteme verwendet, um die von Solarzellen, Windturbinen, Meereswellen und anderen externen Quellen gesammelte Energie zu erfassen und zu speichern, um Geräte mit niedrigem Energieverbrauch zu betreiben. Superkondensatoren, die in rauen Umgebungen bei einer breiten Palette von Betriebstemperaturen arbeiten können und dabei eine hohe Leistungsdichte sowie hohe Zuverlässigkeit bieten, eignen sich auch ideal für den Einsatz in Sensor- und Kommunikationsdesigns des Internets der Dinge (IoT).

Eine wachsende Zahl von Ingenieuren wendet sich zunehmend Superkondensatoren zu, die als Hochleistungs-Energiespeichergeräte zur schnellen Weiterentwicklung von Low-Power-Elektronik beitragen können. Tragbare elektronische Geräte wie Smartphones, Smartwatches, GSM/GPRS-Module und tragbare medizinische Geräte können alle von der Superkondensator-Technologie profitieren. Honeywell bietet beispielsweise einen superkondensatorbetriebenen, batterielosen UPC-Scanner an, der sich innerhalb von Sekunden vollständig auflädt. Der Hersteller verspricht eine Lebensdauer von über acht Jahren, etwa sechs Mal länger als die von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.

Die Automobilbranche entwickelt sich zu einem weiteren führenden Anwender von Superkondensatoren und integriert die Technologie in verschiedene Fahrzeugsysteme. Start-Stopp-Funktionen und Servolenkungen können von den Leistungs- und Temperaturtoleranzeigenschaften der Technologie profitieren. Zukünftig versprechen Superkondensatoren die Fähigkeit, Hybridfahrzeugbatterien schnell zu laden, wobei sie im Zusammenspiel mit dem Benzinmotor des Autos oder Lastwagens arbeiten. Der Einbau von Superkondensatoren in Hybridfahrzeuge wird es ermöglichen, längere Strecken mit hoher Leistungssteuerung und Effizienz zurückzulegen.

Die Bahnbranche beginnt ebenfalls, das Potenzial der Energierückgewinnung durch Superkondensator-Technologie zu schätzen. Das spanische Bahnunternehmen CAF bietet beispielsweise Greentech Evodrive, ein auf Superkondensatoren basierendes Energierückgewinnungssystem für Straßenbahnen. Die Technologie gewinnt kinetische Energie zurück, die beim Bremsen freigesetzt wird, und verbessert so die Gesamteffizienz der Straßenbahn.

Der AVX-Vorteil

AVX bietet die größte Auswahl an Standard-Superkondensatoren in zylindrischer Bauform und die Möglichkeit, kundenspezifische Designanfragen zu erfüllen. AVX stellt eine vielfältige Auswahl an Bauteilen bereit, die darauf abzielen, die Energiespeicherung zu maximieren, einen niedrigen ESR und minimale Leckströme zu gewährleisten.

Die SCC- und SCM-Serie der zylindrischen elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren des Unternehmens bietet beispielsweise hervorragende Impulsleistungs-Eigenschaften, die auf der Kombination aus sehr hoher Kapazität und sehr niedrigem ESR basieren. Die Geräte können einzeln oder in Verbindung mit Primär- oder Sekundärbatterien eingesetzt werden und sorgen für eine verlängerte Backup-Zeit sowie eine längere Batterielebensdauer, ebenso wie für sofortige Leistungspulse bei Bedarf.

Der BestCap-Superkondensator der BZ-Serie von AVX ist ein Superkondensator mit niedrigem ESR, der auf dem nicht gefährlichen protonenaktivierten Polymersystem basiert. Das Produkt tritt direkt in Konkurrenz zu Geräten mit organischen Elektrolyten, bietet jedoch einen wesentlich breiteren Spannungsbereich von 3,6 V bis 20 V (organische Elektrolyte sind typischerweise auf etwa 3 V pro Zelle begrenzt). BestCap verfügt über einen Temperaturbereich von -20 °C bis +70 °C—größer als bei Batterien—und bietet zusätzlich ausgewählte Werte zwischen -40 °C und +75 °C. BestCap bietet die "kondensatorähnlichste" Frequenzantwort aller Superkondensatoren und zeichnet sich durch niedrigen ESR und eine niedrige Bauhöhe aus.

Die PrizmaCap prismatischen Superkondensatoren von AVX, die in der SCP-Serie enthalten sind, bieten das niedrigste Profil und den breitesten Betriebstemperaturbereich, der in AVX-Superkondensatoren verfügbar ist. Sie können einzeln oder in Verbindung mit primären oder sekundären Batterien verwendet werden und bieten eine verlängerte Backup-Zeit, eine längere Batterielebensdauer sowie bei Bedarf sofortige Leistungspulse. Die Geräte sind für Anwendungen ausgelegt, die Pulskraftmanagement, Energiespeicherung, Energie-/Leistungsaufrechterhaltung und Batterieunterstützung erfordern.

Alle AVX-Superkondensator-Serien können in Bezug auf die Ausrichtung der Anschlüsse, Kabelbaumleitungen, Verpackung und Sonderanfertigungen bei Spannung, Kapazität und anderen wichtigen Bereichen individuell angepasst werden. Für Anwendungen mit höherer Spannung bei Superkondensatoren kann AVX kundenspezifische Modulbaugruppen entwerfen und herstellen, einschließlich Gehäuse, Ausgleichsfunktion und Überwachung der Betriebssicherheit.

Nach vorne lehnen

Superkondensatoren sind eine schnell wachsende Energiespeichertechnologie, die zunehmend in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen beliebt geworden ist. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien inzwischen in einer Vielzahl von persönlichen und kommerziellen Geräten eingesetzt werden, wird die Technologie niemals in der Lage sein, mit Superkondensatoren in Bezug auf Leistungsdichte und Anzahl der Lade-/Entladezyklen zu konkurrieren.

Mit wachsender Akzeptanz von Superkondensatoren und der Entwicklung neuer Anwendungsbereiche bemühen sich Forscher weltweit, die Leistung und Kompatibilität zu verbessern, indem sie neue Formen von dielektrischen Materialien untersuchen, wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhren, Polypyrrol und Bariummetatitanat, die alle eine Steigerung der Kapazität und Energiedichte versprechen.

Bleiben Sie dran – die Geschichte der Superkondensatoren hat gerade erst begonnen.

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