Dienstag, 12. November 2019

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Kondensatoren - Super-Caps

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten - den Elektroden. Diese beiden Elektroden werden von einem Isolator, dem Dielektrikum, voneinander getrennt. Liegt nun eine Spannung an, wird eine Seite des Kondensators, also eine der beiden Elektroden, positiv und die andere entsprechend negativ aufgeladen. Der Kondensator besitzt damit eine Kapazität, also die Fähigkeit Energie zu speichern. Die Größe der Kapazität ist abhängig von der Größe des Kondensators, d.h. der Bauform, dem eingesetzten Elektrolyt und dem Abstand der Elektroden. Es gibt viele verschiedene Formen von Kondensatoren: beisielsweise Keramik-, Folien- und Elektrolyt-Kondensatoren. Die weitverbreitetste ist jedoch der Elektrolyt-Kondensator. Ohne dieses Bauteil ist keine moderne elektronische Schaltung denkbar. In einem Elektrolyt-Kondensator befinden sich die oben beschriebenen Metallplatten, getrennt durch ein Dielektrikum in aufgewickelter Form. So ist es möglich, platzsparende Bauteile mit hoher Kapazität zu konstruieren.

Entwicklungsgeschichte

Die Geschichte der Kondensatoren reicht bis ins Jahr 1745 zurück. Zu jener Zeit beschäftigen sich Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin und Pieter van Musschenbroek in Leiden unabhängig voneinander in Laborversuchen mit der Anordnung von Gläsern und Metallteilen. Hierbei erlitten sie elektrische Schläge und entwickelten nach ihren Untersuchungen die Leidener Flasche, die älteste Bauform eines Kondensators. Die Leidener Flasche besteht aus einem Glasgefäß, das innen und außen mit Metallfolie, meist aus Aluminium, beklebt ist. Das Glas wirkt als Isolator, später "Dielektrikum" genannt. Mit fortgeschrittenen Kenntnissen über Elektrizität wurde die Leidener Flasche später als Energiequelle untersucht. Benjamin Franklin brachte die Leidener Flasche an einer Metallschnur an, die mit einem Drachen verbunden war. Diesen ließ er in den Himmel steigen und bewies dadurch, dass sich die Ladung von Gewitterwolken in die Flasche übertragen lässt. Franklin war es ebenfalls, der den Begriff "electrical condenser" prägte.

Super-Caps - heutiger Entwicklungsstand

Die Weiterentwicklung des Prinzips führte schließlich zu immer kleineren und leistungsfähigeren Kondensatoren. Die Super-Caps, auch Ultrakondensatoren genannt, sind eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren. Sie besitzen im Gegensatz zu Keramik-, Folien- und Elektrolyt-Kondensatoren kein Dielektrikum im herkömmlichen Sinne. Die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren ergeben sich aus der Summe zweier hochkapazitiver Speicherprinzipien: aus der statischen Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung und aus der elektrochemischen Speicherung elektrischer Energie durch faradayschen Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen.

Super-Caps haben die höchste Energiedichte aller Kondensatoren. Ihr Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Akkus ist die hohe spezifische Leistung, wodurch sie Verbrauchern kurzzeitig einen hohen Strom zur Verfügung stellen können. Auch ist die Lebenszeit von Super-Caps im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus mit wenigen tausend Ladezyklen nahezu unbegrenzt. Zudem sind sie wesentlich weniger temperaturabhängig. Ein weiteres Plus: Superkondensatoren bestehen aus Aluminium, Kohlenstoff und organischem Elektrolyt - alles relativ umweltfreundliche Bestandteile, die weitaus geringere Entsorgungsprobleme zur Folge haben als Komponenten von Lithium-Ionen-Akkus. Zudem ist es möglich, sie in relativ kurzer Zeit aufzuladen. So sind sie die beste Alternative, wenn es darum geht, den zuverlässigen Betrieb über einen langen Nutzungszeitraum zu gewährleisten.

Einziger Nachteil der Super-Caps ist ihre geringe Energiespeicherkapazität. So kommen sie für Großspeicher-Anlagen kaum in Frage, sind aber sehr gut in Privathaushalten mit Photovoltaikanlage geeignet, da sie schnell geladen sind, eine lange Lebensdauer haben, wenig Platz benötigen und in der Lage sind, Energie über mehrere Stunden bis zu einem Tag zu liefern. So ist der Superkondensator in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage der ideale Stromspeicher.

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