Funktionsprinzip desSuperkondensators
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 Doppelschichten ist ein extrem schneller Prozess, so dass 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 in Kontakt mit einem Elektrolyten eine große Grenzfläche bildet. Die am häufigsten verwendeten Elektrolyte für Superkondensatoren basieren auf Tetraalkylammoniumsalzen, z.B. Tetraethylammoniumtetrafluoroborat (TEA-BF ), die in organischen Lösungsmitteln wie Acetonitril gelöst sind. Diese Kombinationen von Salzen und Lösungsmitteln ermöglichen hohe Ionenleitfähigkeiten und niedrige Viskositäten, die für eine schnelle Doppelschichtbildung und hohe Leistung sehr wichtig sind.
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 hohen Betriebsspannungen zu schwerwiegenden Beeinträchtigungen führen können, z.B. zur Gasbildung. 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.
Schritt 1 – Ausgangszustand
Im entladenen Zustand sind die positiv und negativ geladenen Ionen gleichmäßig in dem Elektrolytlösungsmittel verteilt. Der Elektrolyt verbindet die Elektroden ionisch miteinander.
Schritt 2 – Aufladen
Wenn eine Spannung angelegt wird, wird eine der Elektroden positiv und die andere Elektrode negativ aufgeladen. Dies führt dazu, dass die im Elektrolyt vorhandenen Ionen wandern und zur jeweiligen Elektrode mit der entgegengesetzten Ladung diffundieren. Die positiv geladenen Ionen werden von der negativen Elektrode angezogen und die negativ geladenen Ionen von der positiven Elektrode. Die durch Coulombsche Kräfte angezogenen Ionen sind locker mit den Elektroden verbunden, was zur Bildung einer elektrostatischen Doppelschicht führt. Im Gegensatz zu Batterien tragen in Superkondensatoren nur elektrostatische Effekte zur Speicherung von elektrischer Energie bei.
Schritt 3 – Doppelte Schicht
Durch das Aufladen des Kondensators werden die Ionen in der Nähe der Elektroden schrittweise an der Grenze zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten angesammelt. Die Doppelschichtbildung findet an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt statt; daher müssen die aktiven Materialien und der Elektrolyt aufeinander abgestimmt sein. Die Ionen im Hauptelektrolyten bewegen sich in der Lösungsphase unter dem Einfluss der Coulombschen Kräfte und der thermischen Bewegung, tragen aber nicht zur Doppelschichtbildung bei.
Schritt 4 – Aufgeladen
Im geladenen Zustand verbleibt ein normal verteilter Rest von positiv und negativ geladenen Ionen im Elektrolyten.
Schritt 5 – Entlassung
Während der Entladung sinkt die Zellspannung, und die angezogenen Ionen werden wieder an den Hauptelektrolyten abgegeben, was zu einer gleichzeitigen Verringerung der Ladungsschichten in der Lösung und an der Elektrodenoberfläche führt.
