So funktionieren Super- und Ultrakondensatoren als Stromspeicher

Superkondensatoren (englisch Supercapacitors, kurz Supercaps oder SC), auch Ultrakondensatoren genannt, sind elektrochemische Kondensatoren (englisch electrochemical capacitors) und als solche eine Weiterentwicklung der Doppelschichtkondensatoren (englisch electric double-layer capacitor, EDLC). Super- und Ultrakondensatoren gewinnen aufgrund ihrer Schnellladefähigkeit und ihrer nahezu unbegrenzten Lebensdauer auch in der Solarwirtschaft zunehmend an Bedeutung. Sie sind ideal für Branchen, in denen eine zuverlässige, sofortige und abrupte Stromversorgung verlangt wird, bieten eine viermal höhere Leistungsdichte und eine bis zu zweimal höhere Energiedichte als traditionelle Energiespeicher.

Die Nippon Electric Company (NEC) produzierte in den 1990er Jahren den ersten kommerziell erfolgreichen Doppelschichtkondensator unter dem Namen "Supercapacitor" und prägte damit den Begriff Superkondensator (engl. supercapacitor). Das Pinnacle Research Institute in den USA führte den „Ultracapacitor“ ein.

Superkondensatoren arbeiten nach einem anderen Prinzip der Ladungsspeicherung als Akkus. Superkondensatoren bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschiebung, aber keine chemische Stoffänderung auf.

Superkondensatoren gliedern sich, bedingt durch die Ausführung ihrer Elektroden, in drei unterschiedliche Kondensatorfamilien:

• Doppelschichtkondensatoren besitzen Kohlenstoffelektroden oder deren Derivate mit einer sehr hohen statischen Doppelschichtkapazität. Der Anteil der faradayschen Pseudokapazität an der Gesamtkapazität ist nur gering.
• Pseudokondensatoren besitzen Elektroden aus Metalloxiden oder aus leitfähigen Polymeren und haben einen sehr hohen Anteil faradayscher Pseudokapazität.
• Hybridkondensatoren besitzen asymmetrische Elektroden, eine mit einer hohen Doppelschicht-, die zweite mit einer hohen Pseudokapazität. Zu den Hybridkondensatoren gehören die Lithium-Ionen-Kondensatoren.

Die Anwendung von Superkondensatoren ist sehr vielfältig. Sie werden z. B. in Hybridautos als Kurzzeitspeicher eingesetzt und ermöglichen so einen hohen Wirkungsgrad. Auch in Linienbussen werden sie als Speicher für den Antrieb (Laden bei jedem Stopp) verwendet. Darüber hinaus finden sie ebenfalls in Solarsystemen und Windkraftanlagen Anwendung.

Für kurzfristige Stromausfälle werden keine Kilowatt für mehrere Stunden benötigt, sondern häufig Megawatt aber dies nur für wenige Sekunden. Dieses Problem kann durch die Integration von Ultrakondensatoren in Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV-System) integriert.

Damit füllen Super- bzw. Ultrakondensatoren die Lücke zwischen klassischen Kondensatoren und Batterien im Bereich von Farad bis einigen Tausend Farad. Sie nutzen die Speicherprinzipien von Kondensatoren und Batterien:

1. die kapazitiven Ströme an der Grenzfläche zwischen einem porösen Elektrodenmaterial mit großer Oberfläche und einer angrenzenden Salzlösung und
2. die faradayschen Ströme durch batterieähnliche Redoxreaktionen am Elektrodenmaterial, bei denen der fließende Strom mit einem chemischen Stoffumsatz gekoppelt ist.