Das Funktionsprinzip von Superkondensatoren

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen mit einem Elektrolyten getränkten Separator getrennt sind. Sie speichern Energie durch die Bildung von Doppelschichten an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen. Die Bildung der Doppelschicht ist ein extrem schneller Prozess, weshalb EDLCs/Superkondensatoren innerhalb von Sekunden geladen/entladen werden können, was sie zu Hochleistungsgeräten macht. Dieser physikalische Speicherprozess ist in der Regel in hohem Maße reversibel und ermöglicht eine lange Lebensdauer von über 100 000 Zyklen. Die Kapazität und Leistung eines Superkondensators werden durch die Wechselwirkung des Elektrodenmaterials mit dem Elektrolyten bestimmt. Aktivkohle ist das am häufigsten verwendete Elektrodenmaterial für beide Elektroden, da sie eine große spezifische Oberfläche hat und im Kontakt mit einem Elektrolyten eine große Grenzfläche bildet.

Die am häufigsten verwendeten Elektrolyte für Superkondensatoren basieren auf Tetraalkylammoniumsalzen, z. B. Tetraethylammoniumtetrafluoroborat (TEA-BF4), das in organischen Lösungsmitteln wie Acetonitril oder Propylencarbonat gelöst ist. Diese Kombinationen von Salzen und Lösungsmitteln ermöglichen hohe Ionenleitfähigkeiten und niedrige Viskositäten, die für eine schnelle Doppelschichtbildung und hohe Leistung sehr wichtig sind. Außerdem hat das Verhältnis zwischen der Porengröße des Elektrodenmaterials und der Größe der Ionen im Elektrolyten einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der EDLC.

Die Betriebsspannung eines Superkondensators wird durch die elektrochemische Stabilität der verwendeten Zellkomponenten, insbesondere des Elektrolyten, begrenzt. Eine hohe Reinheit der Elektrolytkomponenten ist von entscheidender Bedeutung, da Verunreinigungen insbesondere bei hohen Temperaturen und Betriebsspannungen zu schwerwiegenden Beeinträchtigungen führen können, z. B. durch Gasbildung und katalytische Effekte. Derzeit werden verschiedene Ansätze untersucht, um die Spannung von Superkondensatoren von heute etwa 2,8 V auf über 3,0 V und die Betriebstemperatur auf über 60 °C mit Hilfe neuartiger Elektrolyte zu erhöhen.

Step 1 – Ausgangszustand

Working principle Supercapacitor - Inital State

Im entladenen Zustand sind die positiv und negativ geladenen Ionen gleichmäßig im Elektrolytlösungsmittel verteilt. Der Elektrolyt verbindet die Elektroden ionisch miteinander.

Step 2 – Laden

Working Principle Supercapacitors - Charging

Wenn eine Spannung angelegt wird, wird eine der gleichwertigen Elektroden positiv und die zweite Elektrode negativ geladen. Dies führt dazu, dass sich die im Elektrolyten vorhandenen Ionen zu der jeweiligen Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung bewegen. Die positiv geladenen Ionen werden von der negativen Elektrode angezogen und die negativ geladenen Ionen von der positiven Elektrode. Auf der Oberfläche der Elektroden wird eine dünne Schicht von Ionen adsorbiert, was zur Bildung einer elektrostatischen Doppelschicht führt. Im Gegensatz zu Batterien tragen in Superkondensatoren nur elektrostatische Effekte zur Speicherung elektrischer Energie bei.

Step 3 – Double layer

Working principle supercapacitors - double layer

Beim Aufladen des Kondensators werden Ionen an der Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt angereichert. Die Doppelschichtbildung findet an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt statt; daher müssen die aktiven Materialien und der Elektrolyt aufeinander abgestimmt sein. In der Regel werden Aktivkohlen mit großer Oberfläche als aktive Materialien sowohl für die positive als auch für die negative Elektrode verwendet, um eine große Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche zu bilden.

Während des Energiespeicherprozesses werden Elektrolytionen von den Elektrodenoberflächen angezogen und adsorbiert, wodurch Helmholtz-Doppelschichten entstehen. An den Doppelschichten sind die Elektrolyt-Ionen der Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung zugewandt.

Step 4 - Geladen

Working Principle Supercapacitors - Charged State

Im geladenen Zustand verbleibt eine standarverteilter Rest an positiv und negativ geladenen Ionen in Elektrolyten zurück.

Step 5 – Entladen

Working principle supercapacitors - discharged

Während der Entladung sinkt die Zellspannung, und die adsorbierten Ionen werden wieder an den Hauptelektrolyten abgegeben.