Superkondensator (Gold-Cap)

Ein Funk-Thermometer, das beim Batteriewechsel die Uhrzeit nicht vergisst, ein Stromzähler, der beim Netzausfall noch seinen letzten Zählerstand speichert, eine Solar-Gartenleuchte ohne Akku, ein Linienbus, der beim Bremsen Energie zurückgewinnt: Dahinter steckt jedes Mal ein Superkondensator. Er speichert so viel Ladung, dass seine Kapazität in Farad statt in Mikrofarad angegeben wird – ein Gold-Cap in Münzform hat 1 F, eine Zelle so groß wie eine Getränkedose 3000 F. Dafür verträgt eine einzelne Zelle nur knapp 3 V. Er schließt die Lücke zwischen dem Elektrolytkondensator und dem Akku.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Superkondensator hat kein festes Dielektrikum wie andere Kondensatoren. Er besteht aus zwei Elektroden aus Aktivkohle, die mit einem Elektrolyten getränkt sind, und einem dünnen, für Ionen durchlässigen Separator dazwischen. Aktivkohle ist extrem porös: Ein Gramm hat eine innere Oberfläche von 1000 bis 2000 m².

Legst du eine Spannung an, wandern die Ionen des Elektrolyten zur jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode. An der Grenzfläche zwischen Kohle und Elektrolyt lagern sie sich in einer einzigen, nur wenige Zehntel Nanometer dicken Schicht an. Elektronen in der Kohle und Ionen im Elektrolyten stehen sich gegenüber wie die Beläge eines Plattenkondensators; dazwischen liegen nur die Lösungsmittelmoleküle. Diese elektrische Doppelschicht (nach Hermann von Helmholtz) gibt dem Bauteil den Fachnamen Doppelschichtkondensator, englisch EDLC.

Wie beim Plattenkondensator gilt C = ε₀ · ε_r · A / d (siehe elektrisches Feld): Die Fläche A ist riesig, der Abstand d winzig. Daher die enorme Kapazität. Weil es an jeder Elektrode eine Doppelschicht gibt, liegen elektrisch zwei Kondensatoren in Reihe.

Die dünne Schicht hat einen Haken: Ab etwa 2,7 bis 3 V beginnt der Elektrolyt, sich elektrochemisch zu zersetzen (siehe Elektrolyse). Deshalb ist die Spannung einer Zelle begrenzt – bei organischem Elektrolyt (Acetonitril oder Propylencarbonat mit gelösten Salzen) auf 2,5 bis 3,0 V, bei wässrigem auf etwa 1 V. Höhere Spannungen erreichst du nur mit mehreren Zellen in Reihe.

Verwandte Bauarten nutzen zusätzlich schnelle chemische Reaktionen an der Oberfläche (Pseudokapazität). Der Lithium-Ionen-Kondensator kombiniert eine Kohle-Elektrode mit einer Akku-Anode, erreicht 3,8 V je Zelle und mehr Energie, darf aber nicht unter etwa 2,2 V entladen werden.

Schaltzeichen

Für Superkondensatoren gibt es kein eigenes genormtes Symbol. Meist wird das Zeichen des gepolten Kondensators mit Pluszeichen verwendet (siehe Elektrolytkondensator und Schaltzeichen), manchmal mit dem Zusatz „EDLC“ oder „SC“. Obwohl der Aufbau im Prinzip symmetrisch ist, legt der Hersteller bei der Fertigung eine Polarität fest. Auf dem Bauteil markiert ein Streifen oder ein Minuszeichen den Minuspol, wie beim Aluminium-Elko.

Kennwerte

Am Beispiel einer verbreiteten großen Zelle, Maxwell BCAP0350 (Serie BC): 350 F bei 2,7 V, höchstens 3,2 mΩ Gleichstrom-ESR, 34 A Dauerstrom bei 40 K Erwärmung, Temperaturbereich −40 … +65 °C.

Weitere Größen, die du kennen solltest:

• Leckstrom und Selbstentladung: Ein Superkondensator verliert in Tagen bis Wochen einen großen Teil seiner Spannung. Leckstrom wird erst nach vielen Stunden an Nennspannung gemessen, weil er anfangs viel höher ist.
• Ladungsumverteilung: Die tiefen Poren der Kohle laden sich langsamer als die Oberfläche. Nach schnellem Laden sinkt die Spannung in den ersten Minuten etwas ab, obwohl kein Strom entnommen wird.
• Alterung: Kapazität sinkt, ESR steigt – vor allem durch hohe Spannung und Temperatur. Schon wenige Zehntel Volt unter der Nennspannung verlängern die Lebensdauer deutlich.
• Kein Überladeschutz eingebaut: Überspannung zersetzt den Elektrolyten, es entsteht Gas, das Gehäuse bläht sich auf. Die Ladeschaltung muss die Spannung begrenzen.

Bauformen

• Münzzelle (Gold-Cap): flache Knopfform mit Lötfahnen oder Pins, 0,1 bis 1,5 F, 3,3 oder 5,5 V. „Gold-Cap“ ist eigentlich ein Markenname von Panasonic, wird aber für alle kleinen Doppelschichtkondensatoren verwendet; Gold enthält er nicht.
• Radialer Becher: ähnlich einem Elko, 1 bis 100 F bei 2,7 V.
• Große Zylinderzellen: 100 bis 3000 F mit Schraub-, Schweiß- oder Snap-in-Anschlüssen.
• Module: mehrere Zellen in Reihe mit eingebauter Spannungssymmetrierung, 16 V, 48 V oder 125 V, für Fahrzeuge und Netzausfallpuffer.

Typische Anwendungen

• Pufferung von Echtzeituhren und Speichern: RTC und SRAM überbrücken Stunden bis Tage ohne Batterie.
• Letzte Rettung beim Stromausfall: Stromzähler, SSDs und Steuerungen schreiben ihre Daten noch weg.
• Energy Harvesting: Solarzellen und Funksensoren speichern kleine Energiemengen für kurze Sendeimpulse.
• Spitzenlasten abfangen: Ein Akku mit hohem Innenwiderstand bekommt einen Superkondensator parallel, der Stromspitzen von Funkmodulen oder Motoren liefert.
• Rekuperation und Start-Stopp: Busse, Kräne, Aufzüge und Fahrzeuge speichern Bremsenergie kurzzeitig.

Pufferzeit berechnen

Weil die Spannung beim Entladen linear sinkt, rechnest du mit der Ladung Q = C · U (siehe Kondensator im Gleichstromkreis). Bei konstantem Laststrom I ist die Pufferzeit

Für die Energie gilt W = ½ · C · U². Weil Elektronik selten bis 0 V arbeitet, zählt der nutzbare Teil zwischen Start- und Mindestspannung:

Die Rechnung „Kapazität mal Spannung durch Strom“ ist dieselbe wie bei der Akkulaufzeit; für Akkus nutzt du den Rechner Akku-Laufzeit. Mehr zu Akkus findest du unter Lithium-Ionen-Akku.

Auswahl und Praxistipps

Bestimme zuerst die nötige Energie oder Pufferzeit und die kleinste zulässige Spannung, daraus die Kapazität. Dann prüfst du, ob der ESR bei deinem Spitzenstrom einen zu großen Spannungseinbruch erzeugt, und wählst die Spannung mit etwas Reserve.

Häufige Fehler:

• Einschaltstrom unterschätzt: Ein leerer Superkondensator ist für das Netzteil ein Kurzschluss. Ein 10-F-Kondensator an einem 5-V-Regler zieht so lange den Höchststrom, bis er geladen ist. Ein Vorwiderstand oder eine Ladeschaltung mit Strombegrenzung ist Pflicht.
• Zellen ohne Symmetrierung in Reihe: Kapazitäten und Leckströme der Zellen streuen. Ohne Ausgleich lädt sich die schwächste Zelle über ihre Nennspannung. Gleiche Widerstände parallel zu jeder Zelle (passiv) oder kleine Regler-ICs (aktiv) verhindern das.
• Nennspannung voll ausgereizt: 2,5 V statt 2,7 V an einer 2,7-V-Zelle verdoppeln oft die Lebensdauer.
• Als Glättungskondensator verwendet: Gold-Caps haben einen Innenwiderstand von Ohm, nicht Milliohm, und eine große ESL. Für Brummsiebung und Schaltregler sind sie ungeeignet.
• Heißer Einbauort: Wie beim Aluminium-Elko verkürzt jede Erwärmung die Lebensdauer.

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