Superkondensatoren

Superkondensatoren speichern elektrische Ladung durch schnelle, hochreversible Prozesse an Elektrodenoberflächen und liefern dabei eine sehr hohe Leistung und eine lange Zyklenlebensdauer bei geringerer Energiedichte als Batterien.

Definition

Ein Energiespeichergerät, das Ladung elektrostatisch in der elektrischen Doppelschicht von Elektroden mit großer Oberfläche speichert, optional ergänzt durch schnelle Oberflächen-Redoxreaktionen (pseudokapazitiv).

Scope

Dieses Thema behandelt elektrochemische Kondensatoren: Doppelschichtkapazität, die aus der elektrostatischen Ladungsakkumulation an Elektroden mit großer Oberfläche resultiert, Pseudokapazität aus schnellen Oberflächen-Redoxreaktionen, die verwendeten Materialien wie poröse Kohlenstoffe und Metalloxide sowie die daraus resultierenden Energie- und Leistungsmerkmale. Es erläutert die Position von Superkondensatoren zwischen konventionellen Kondensatoren und Batterien.

Core questions

• Wie unterscheidet sich die Ladungsspeicherung in der elektrischen Doppelschicht von der Ladungsspeicherung in einer Batterie?
• Was ist Pseudokapazität und wie erhöht sie die gespeicherte Ladung?
• Warum erreichen Superkondensatoren eine sehr hohe Leistung und eine außergewöhnliche Zyklenlebensdauer?
• Welche Materialien maximieren die zugängliche Oberfläche und die Kapazität?

Key theories

Doppelschicht-Ladungsspeicherung

Die Ladung wird physikalisch durch die Akkumulation von Ionen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche über eine enorme Oberfläche gespeichert, ohne chemische Volumenreaktion, was eine schnelle, hochreversible Ladung und Entladung ermöglicht.

Pseudokapazität

Schnelle, reversible Oberflächen- oder oberflächennahe Redoxreaktionen an Materialien wie Übergangsmetalloxiden speichern zusätzliche Ladung mit einer kondensatorähnlichen Reaktion und erhöhen die Energiedichte über die reine Doppelschichtspeicherung hinaus.

Clinical relevance

Superkondensatoren ermöglichen schnelle Leistungsstöße und die Energierückgewinnung beim regenerativen Bremsen in Fahrzeugen, Notstromversorgung und Lastspitzenausgleich. Sie werden zunehmend mit Batterien in Hybridsystemen kombiniert, wo ihre hohe Leistung und lange Lebensdauer die Energiedichte der Batterien ergänzen.

History

Das Konzept des Doppelschichtkondensators geht auf Helmholtz' Modell der Grenzfläche aus dem 19. Jahrhundert zurück; kommerzielle Geräte erschienen ab den 1970er Jahren, und Conways Arbeit formalisierte die Pseudokapazität, wobei nanostrukturierte Kohlenstoffe und Oxide in den 2000er Jahren zu erheblichen Kapazitätssteigerungen führten.

Key figures

• Brian E. Conway
• Hermann von Helmholtz
• Yury Gogotsi
• Patrice Simon

Seminal works

• winter2004
• simon2008
• conway1999

Frequently asked questions

Warum laden Superkondensatoren so viel schneller als Batterien?

Sie speichern Ladung durch die physikalische Akkumulation von Ionen an der Elektrodenoberfläche und nicht durch langsame chemische Volumenreaktionen, sodass Ladung und Entladung hauptsächlich durch Ionenbewegung begrenzt sind und in Sekunden erfolgen.

Warum ersetzen Superkondensatoren nicht einfach Batterien?

Die Oberflächenladungsspeicherung enthält pro Masseneinheit weitaus weniger Energie als die chemische Volumen-Redoxreaktion, sodass Superkondensatoren zwar eine hohe Leistung, aber eine geringe Energiedichte liefern und für die meisten Anwendungen, die nachhaltige Energie benötigen, zu sperrig wären.