Kondensator | Der elektrische Energiespeicher

Ein Kondensator kann elektrische Energie speichern und wieder abgeben. Die Kapazität des Kondensators spielt dabei eine entscheidende Rolle, insbesondere im Hinblick auf die Leistungs- und Alterungsfähigkeit unterschiedlicher Kondensatortypen. Besonders interessant sind dabei Ultrakondensatoren und Superkondensatoren, die durch ihre hohe Energiedichte und schnelle Lade- sowie Entladefähigkeit neue Maßstäbe setzen. Der Artikel stellt aktuelle Entwicklungen und Innovationen auf dem Markt vor und gibt ein paar Einblicke in das elektronische Bauelement.

Inhalt

• Kondensator – Das Wichtigste in Kürze
• Neuheiten und Innovationen des Kondensators
  • Hybrid Superkondensator für Stromversorgung und Speicher
  • Ultrakondensator von Skeleton schlägt Tesla Technologie
• Häufig gestellte Fragen

Kondensator – Das Wichtigste in Kürze

Ein zentraler Trend bei den Kondensatoren ist die Erhöhung der Energiedichte auf der einen und die der Kapazität C durch den Einsatz nanostrukturierter Materialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren auf der anderen Seite. Diese Materialien bieten enorm vergrößerte Ober-Flächen für die Ladungsspeicherung, was die Kapazität von Kondensatoren signifikant steigert. Auch die Verbesserung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Kondensatoren stehen im Fokus der Entwicklungen. Hierbei spielt die Optimierung der Elektrolyte eine entscheidende Rolle. Neue Elektrolytformulierungen, die stabilere chemische Verbindungen und geringere Abbaugeschwindigkeiten aufweisen, tragen dazu bei, die Lebensdauer von Kondensatoren zu verlängern und ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Ein besonders innovativer Ansatz ist die Integration von Kondensatoren in hybride Energiespeichersysteme. Hierbei werden die Vorteile von Superkondensatoren und Batterien kombiniert, um Systeme zu schaffen, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine schnelle Lade- und Entladefähigkeit bieten. Diese hybriden Systeme sind insbesondere für Elektrofahrzeuge von großem Interesse, da sie sowohl die hohen Energieanforderungen für die Reichweite als auch die Leistungsanforderungen für Beschleunigung und Bremskraftrückgewinnung erfüllen können​​.

Neue Techniken ermöglichen die Herstellung flexibler und ultradünner Kondensatoren, die sich leicht in tragbare Elektronik und Wearables integrieren lassen. Diese Kondensatoren können auf flexiblen Substraten hergestellt werden und bieten hohe Leistung bei minimalem Platzbedarf​. Um den ökologischen Fußabdruck zu minimieren, wird auch die Entwicklung umweltfreundlicher Kondensatoren vorangetrieben. Hierbei wird der Einsatz von umweltfreundlichen Materialien und nachhaltigen Herstellungsverfahren gefördert, wie biologisch abbaubare Elektrolyte und recycelbare Materialien.

Schließlich wird auch die Erweiterung der Temperatur- und Spannungstoleranz der Bauelemente der Elektrotechnik vorangetrieben. Hochleistungskondensatoren, die extremen Temperaturen und hohen Spannungen standhalten, werden entwickelt, um die Einsatzmöglichkeiten in anspruchsvollen industriellen Umgebungen und in der Raumfahrt zu erweitern.

Neuheiten und Innovationen des Kondensators

Forscher und Entwickler arbeiten derzeit an mehreren spannenden Innovationen in der Kondensator-Technik, die das Potenzial haben, die Effizienz und Leistung von Energiespeichersystemen erheblich zu verbessern. Hier sind zwei davon:

Hybrid Super-Kondensatoren für Stromversorgung und Speicher

08.10.2020 | Hy-Line Power Components präsentiert seine Superkondensatoren mit 3,8 V Nennspannung. Die HS-Serie bietet bis zu zehnfache Kapazität bei gleicher Baugröße. Der neue Hybrid Superkondensator kombiniert die Eigenschaften von Superkondensator und Lithium Akkumulator.

Im Gegensatz zum normalen Superkondensator speichern die HS nicht nur physikalisch Energie, sondern auch chemisch. Die Superkondensatoren vermeiden so Struktur-Abnutzungserscheinungen der Akkus, welche die Ladezyklen begrenzen.

Dank der höheren Arbeitsspannung von 3,8 V (Spitzenspannung: 4,0 V) und der aktuell bereits achtfachen Kapazität von 30 bis 220 F ist die gespeicherte Energie deutlich höher. Außerdem müssen weniger Zellen in Reihe geschaltet werden, um Module mit höheren Arbeitsspannungen aufzubauen. Der Innenwiderstand und die Selbstentladung sind minimiert. Die Arbeitstemperaturen reichen von -25° bis 85 °C.

Typische Anwendungen für die neuen Superkondensatoren sind zum Beispiel das Internet der Dinge IoT, Smart Meter, USV/Backup-Lösungen in der Industrie, IT und Medizin sowie Blackboxen/GPS-Tracker für Lkw, Busse, Container und Wertgegenstände.

Ultrakondensator von Skeleton schlägt Tesla Technologie

17.05.2019 | Skeleton Technologies ist führend bei einer vom Office of Naval Research in Auftrag gegebenen Studie über Ultrakondensatoren (Bild oben) und übertrifft darin mit ihrem Ultrakondensator Konzept die Tesla Tochter Maxwell Technologies. Der Vorsprung von Skeletons Skelcaps gegenüber der Konkurrenz beruht auf der patentierten „Curved Graphene"-Technologie.

Der Ultrakondensator übertrifft Vergleichswerte bei Energiedichte und Lebensdauer, wie die Studie von Dr. David Wetz und seinem Team an der University of Texas in Arlington belegt. Die Weiterentwicklung der Energiespeicher Technologie ermöglicht den Bau kleinerer und leistungsfähigerer Energiesysteme. Das sächsische Hightech-Unternehmen schlägt deutlich auch den ebenfalls in den USA ansässigen Wettbewerber Ioxus Inc. und belegt den ersten Platz im Testergebnis.

Ultrakondensatoren gewinnen aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte an Bedeutung und haben daher eine zunehmende Wichtigkeit für verschiedene Anwendungen Da sind z. B. Einsatzfälle, die hohe transiente Leistungen erfordern wie Mikronetzwerke und Transport. Viele Branchen wie die Automobilindustrie sehen Vorteile in einer Hybridlösung, welche Li-Ionen-Batterien mit Ultrakondensatoren kombiniert. Elon Musk erkannte das große Potenzial der Ultracaps und übernahm im Februar den Ultracap-Hersteller Maxwell Technologies (San Diego, CA).

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In einer umfangreichen Studie des Office of Naval Research über die Eigenschaften von Ultrakondensatoren und Lithium-Ionen-Kondensatoren im Bereich der transienten Lastanwendungen wurden die Produkte der einzelnen Hersteller auf Herz und Nieren geprüft. Skelcap übertraf bei weitem alle in diesem Experiment getesteten Zellen. Mit mehr als 10 kW/kg ist seine Leistungsdichte höher als die der anderen Zellen im Test und die Wärmeentwicklung ist deutlich geringer, was sich positiv auf seine Lebensdauer auswirkt.

„Die überlegenen Ergebnisse von Skeleton sind höchstwahrscheinlich auf die Verwendung des Curved Graphene anstelle der Aktivkohle zurückzuführen, welche von den anderen Herstellern verwendet wird. Diese Fortschritte in der Energiespeichertechnologie ermöglichen den Bau von Energiesystemen, die transienten Lasten mehr Energie liefern können und die Verkleinerung bestehender Systeme ermöglichen", erklären die Autoren.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Kondensator und was macht er?

Ein Kondensator ist ein elektronisches Bauelement, das elektrische Energie durch die Trennung von Ladungen speichert. Er besteht aus zwei leitfähigen Platten, die durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind. Die Hauptfunktion eines Kondensators ist die Speicherung von elektrischer Energie in einem elektrischen Feld. Er wird in elektronischen Schaltungen verwendet, um Spannungen zu stabilisieren, Signalrauschen zu filtern und Energiespitzen abzupuffern. Durch seine Fähigkeit, Energie kurzfristig zu speichern und wieder abzugeben, spielt der Kondensator eine wesentliche Rolle in der Leistungselektronik und der Signalverarbeitung.

Was ist ein Strom-Kondensator?

Ein Stromkondensator, besser bekannt als Leistungs- oder Elektrolytkondensator, ist ein Bauelement, das große Mengen elektrischer Energie speichern und schnell wieder abgeben kann. Er wird häufig in Stromversorgungen und Verstärkern eingesetzt, um plötzliche Stromspitzen auszugleichen und die Stabilität der Spannung U zu gewährleisten. Durch seine Fähigkeit, hohe Ströme zu puffern, schützt er elektronische Schaltungen vor Spannungsschwankungen und verbessert die Gesamtleistung des Systems.

Was passiert, wenn man einen Kondensator an Gleichspannung anschließt?

Wird ein Kondensator an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, beginnt er, sich mit elektrischer Ladung aufzuladen. Dabei fließt anfangs ein hoher Strom, der mit der Zeit abnimmt, während sich die Spannung über dem Kondensator der angelegten Gleichspannung annähert. Sobald der Kondensator vollständig aufgeladen ist, fließt kein weiterer Strom mehr, und der Kondensator speichert die Energie in Form eines elektrischen Feldes zwischen seinen Platten. In diesem Zustand wirkt der Kondensator wie eine offene Schaltung, die keinen weiteren Stromfluss zulässt.

Was macht ein Kondensator bei Wechselspannung?

Bei Wechselspannung lädt und entlädt sich ein Kondensator kontinuierlich, da die Spannung ständig ihre Richtung ändert. Dies führt dazu, dass ein Wechselstrom durch den Kondensator fließt, obwohl kein tatsächlicher elektrischer Strom durch das Dielektrikum fließt. Der Kondensator wirkt dabei als Blockade für Gleichstrom, lässt jedoch Wechselstrom durch. Dies ermöglicht es ihm, Frequenzen zu filtern und unerwünschte Gleichspannungsanteile in Signalen zu unterdrücken.

Wie wirkt sich die Kondensator Kapazität auf Wechselstrom- und Gleichstromkreise aus?

Ein Kondensator C wirkt in einem Wechselstromkreis als kapazitiver Widerstand, der den Stromfluss abhängig von der Frequenz des Wechselstroms verzögert. Die Impedanz des Kondensators sinkt mit steigender Frequenz. Das bedeutet, dass er bei höheren Frequenzen weniger Widerstand bietet. Dies führt dazu, dass der Strom dem Spannungsverlauf nachläuft, wobei der Phasenwinkel durch die e-Funktion beschrieben werden kann, die die exponentielle Ladungs- und Entladekurve des Kondensators darstellt.

In Gleichstromkreisen verhält sich ein Kondensator jedoch anders: Nachdem er vollständig aufgeladen ist, blockiert er den Stromfluss, da er keinen kontinuierlichen Gleichstrom durchlässt. Ein Kondensator in einem Gleichstromkreis wird nach dem Aufladen eine konstante Spannung über seinen Platten aufrechterhalten und den Stromfluss stoppen. Dies ist besonders nützlich für die Glättung von Spannungen in Gleichstromversorgungen.

Kondensatoren können auch als Koppelelemente verwendet werden, um Wechselstromsignale zwischen Leitern zu übertragen, während Gleichstromkomponenten blockiert werden. Diese Eigenschaft macht sie unverzichtbar für die Filterung und Signalverarbeitung in elektronischen Schaltungen.

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