alt=Supercapacitor|thumb|300px|Schema van een supercondensator thumb|300px|Schema van een dubbellaag. De Sternlaag is een combinatie van de Helmholzdubbellaag en de Gouy-Chapmandubbellaag. thumb|300px|Overzicht van supercondensatoren Een supercondensator is een condensator met een uitzonderlijk hoge elektrische capaciteit van 1 tot vele farad, maar met relatief hoge lekstroom. De maximale spanning per element is ongeveer 2,7 V. De supercondensator vult het gat op tussen een elektrolytische condensator en een oplaadbare batterij. Hij is een verdere ontwikkeling van de elektrische dubbellaagcondensator. In supercondensatoren is de elektrolyt de geleidende verbinding tussen twee elektroden, terwijl bij elektrolytische condensatoren de elektrolyt de kathode is en dus de tweede elektrode vormt. Pseudocondensatoren en hybride supercondensatoren die elektrochemische ladingseigenschappen hebben, mogen niet met omgekeerde polariteit worden gebruikt, wat hun gebruik bij wisselspanning moeilijk maakt. Deze beperking is echter niet van toepassing op de elektrostatische dubbellaagsupercondensatoren.
In vergelijking met accumulatoren van hetzelfde gewicht, zijn supercondensatoren slechts goed voor ongeveer 10% van hun energiedichtheid, terwijl hun vermogensdichtheid ongeveer 10 tot 100 keer zo groot is. Supercondensatoren kunnen daardoor veel sneller worden opgeladen en ontladen. Ze kunnen ook veel vaker herhaaldelijk opgeladen en ontladen worden dan oplaadbare batterijen en zijn daardoor geschikt als vervanging of aanvulling wanneer er vaak opgeladen en ontladen wordt.
Het toepassingsgebied van supercondensatoren varieert van het afgeven van zeer kleine stromen voor het bewaren van gegevens in de static random-access memory (SRAM) in elektronische apparaten tot aan het gebied van vermogenselektronica, bijvoorbeeld als opslag van elektrische energie in een KERS-systeem bij Formule 1-raceauto's, in het terugwinnen van remenergie bij voertuigen zoals stadsbussen en treinen, in hybride auto's of bij een railgun.
Supercondensatoren kunnen effectief opereren tussen −50 °C en 80 °C, waardoor zij in veel omgevingen ingezet kunnen worden.
In 2016 bedroeg de wereldwijde verkoop van supercondensatoren ongeveer US$ 400 miljoen.The Global Supercapacitor Market is Facing Unique Challenges in 2016, MarketEYE, 2016-03-10, geraadpleegd op 2017-03-19 De verwachting is dat de wereldwijde omzet van supercondensatoren van $ 3,27 miljard in 2019 jaarlijks met ruim 23% groeit tot ongeveer $ 17 miljard in 2027.
Bij een geavanceerde lood-koolstofaccu (ALC=advanced lead-carbon) is aan de negatieve plaat (kathode) van de loodaccu koolstof toegevoegd, waardoor er als het ware een asymmetrische supercondensator ontstaat, waardoor de loodaccu verbeterde laad- en ontlaadprestaties heeft gekregen. New Lead Acid Battery System
Techniek thumb|240px|Schema van de elektrochemische dubbellaag. 1: geladen oppervlak2: diffuse laag met voornamelijk tegenionen3: bulk van de oplossing4: Sternlaag. Onder: de potentiaal van het geladen oppervlak.Supercondensatoren zijn gepolariseerde componenten die alleen met de juiste polariteit kunnen worden gebruikt. De polariteit is in het ontwerp van asymmetrische elektroden vastgelegd, bij symmetrische elektroden echter wordt de polariteit tijdens de productie vastgelegd met behulp van een elektrische spanning.
De elektrische capaciteit van de supercondensator is het resultaat van de som van de twee opslagprincipes: Elektrostatische opslag van elektrische energie door ladingscheiding in helmholtzdubbellagenZbigniew Stojek, The Electrical Double Layer and its Structure, Fritz Scholz (Hrsg.): Electroanalytical Methods: Guide to Experiments and Applications, Springer, Berlin/Heidelberg, 2010, , blz. 3–10, online geraadpleegd op 2014-01-05 in een dubbellaagcapaciteit. Elektrochemische opslag van elektrische energie door middel van de elektrolysewet van Faraday met behulp van redoxreactiesB.E. Conway, W.G. Pell, Double-layer and pseudocapacitance types of electrochemical capacitors and their applications to the development of hybrid devices, springerlink.com, geraadpleegd op 5 januari 2014 in een zogenoemde pseudocapaciteit.
In een hybride supercondensator vormen de dubbellaagcapaciteit en de pseudocapaciteit samen opgeteld de totale capaciteit.B. E. Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications, Springer, Berlin, 1999, , blz. 1–8, Online=Google Buch, BuchID=8yvzlr9TqI0C, Seite=1 Ze hebben echter, afhankelijk van het ontwerp van de elektrode, een groot verschil in de bijdrage aan de totale capaciteit. De pseudocapaciteit van een daarvoor geëigende elektrode kan bijvoorbeeld bij gelijke oppervlakken 100 keer zo groot zijn als die van de dubbellaagcapaciteit.
Eenvoudig gezegd is er bij een elektrochemische dubbellaag sprake van een geladen oppervlak dat gesolvateerde ionen van tegengestelde lading aantrekt. Dicht bij het oppervlak vormt zich een aparte laag van geïmmobiliseerde tegenionen, de sternlaag. Deze laag schermt slechts een gedeelte van de lading van het oppervlak af. Mobiele tegenionen zijn verantwoordelijk voor de rest van de afscherming.
Indeling Supercondensatoren worden afhankelijk van hun ontwerp onderverdeeld in drie verschillende condensatorfamilies: Dubbellaagcondensatoren, ook wel elektrostatische dubbellaagcondensatoren genoemd, hebben koolstofelektroden of daarvan afgeleiden met een zeer hoge statische dubbellaagcapaciteit. Het aandeel van de faradische-pseudocapaciteit in de totale capaciteit is klein. Pseudocondensatoren, ook wel elektrochemische condensatoren genoemd, hebben elektroden gemaakt van metaaloxiden of van geleidende polymeren en hebben een zeer groot aandeel faradische-pseudocapaciteit in de totale capaciteit. Hybride condensatoren hebben asymmetrische elektroden, een met een hoge dubbellaagcapaciteit, de tweede met een hoge pseudocapaciteit. Tot de hybride condensatoren behoren de lithiumioncondensatoren.Mustapha Jammal: Stand der Technik und Anwendung von Superkondensatoren. GRIN Verlag, 2010 blz. 29, , PseudokapazitätMarin S. Halper, James C. Ellenbogen, Supercapacitors: A Brief Overview, MITRE Nanosystems Group, 2006-03, geraadpleegd op 2015-12-07Adam Marcus Namisnyk and J. G. Zhu, A Survey of Electrochemical Super-Capacitor Technology, 2003, Bachelor-Arbeit; University of Technology, Sydney; 2003, pdf, geraadpleegd op 7 december 2015
Ontwerp Basisontwerp thumb|Constructie van een supercondensator:1 stroombron2 collector3 gepolariseerde elektrode4 Helmholtzdubbellaag5 elektrolyt met positieve en negatieve ionen6 separator (diëlektricum) Elektrochemische condensatoren (supercondensatoren) bestaan uit twee elektroden gescheiden door een ionen-doorlatend membraan (separator of diëlektricum), en een elektrolyt die beide elektroden ionisch verbindt. Wanneer de elektroden worden gepolariseerd door een aangelegde spanning, vormen ionen in de elektrolyt elektrische dubbellagen met een polariteit die tegengesteld is aan de polariteit van de elektrode. Positief gepolariseerde elektroden zullen bijvoorbeeld een laag negatieve ionen op het grensvlak van de elektrode/elektrolyt hebben, samen met een laag van positieve ionen die adsorberen aan de negatieve laag waardoor de lading in balans is. Het tegenovergestelde gebeurt bij de negatief gepolariseerde elektrode.
Bovendien kunnen, afhankelijk van het elektrodemateriaal en de vorm van het oppervlak, sommige ionen door de dubbellaag dringen en worden dan specifiek geadsorbeerde ionen, die als pseudocapaciteit bijdrage aan de totale capaciteit van de supercondensator.
De eigenschappen van supercondensatoren worden bepaald door de interactie van hun interne materialen. Vooral de combinatie van elektrodemateriaal en type elektrolyt bepaalt de functionaliteit en thermische en elektrische eigenschappen van de condensatoren.
+ Interne AC-weerstandwaarden (ESR) van supercondensatoren Type supercondensator 22 µF 100 µF 470 µF Gemeten bij frequentie in Hz Elektrolyt Standaard aluminium 7–30 Ω 2–7 Ω 0,13–1,5 Ω 120 Laag-ESR aluminium 1–5 Ω 0,3–1,6 Ω 100k Vast aluminium 0,2–0,5 Ω 500 mangaan(IV)oxide (MnO2) Sanyo OS-CON 0,04–0,07 Ω 0,03–0,06 Ω 100k TCNQ Standaard vast tantaal 1,1–2,5 Ω 0,9–1,5 Ω 100k Laag-ESR tantaal 0,2–1 Ω 0,08–0,4 Ω 100k Vochtig folie tantaal 2,5–3,5 Ω 1,8–3,9 Ω zwavelzuur (H2SO4) Gestapelde folie film < 0,015 Ω 100k Keramiek < 0,015 Ω 100k Er treden tijdens de werking van een supercondensator ook thermische verliezen op, die bij benadering kunnen worden weergegeven als een in serie geschakelde weerstand; deze weerstand wordt gedefinieerd als de equivalente serieweerstand (ESR) en bij een bepaalde frequentie gemeten als AC-weerstand.
Elektrochemische of elektrostatische dubbellaagcapaciteit thumb|300px|Schema van een dubbellaag. De Sternlaag is een combinatie van de Helmholzdubbellaag en de Gouy-Chapmandubbellaag. De elektrochemische dubbellaag of EDL is een fysisch-chemisch verschijnsel dat optreedt rond oppervlakken die in contact staan met een vloeistof waarin ionen opgelost zijn. Eenvoudig gezegd is er bij een dubbellaag sprake van een geladen oppervlak dat ionen in de elektrolyt van tegengestelde lading aantrekt.
Elke dubbellaagcondensator heeft twee elektroden, mechanisch gescheiden door een separator, die ionisch met elkaar zijn verbonden via de elektrolyt. de elektrolyt is een mengsel van positieve en negatieve ionen opgelost in een oplosmiddel zoals water. Bij elk van de twee elektrode oppervlakken ontstaat een gebied waarin de vloeibare elektrolyt in contact staat met het geleidende metalen oppervlak van de elektrode. Dit koppelvlak vormt een gemeenschappelijke grens tussen twee verschillende fasen van materie, zoals een onoplosbaar vast elektrodeoppervlak en een aangrenzend vloeibaar elektrolyt. Op dit koppelvlak treedt een heel bijzonder verschijnsel op van de elektrochemische dubbellaag. Er zijn verschillende hypothesen opgesteld ter verklaring van dit verschijnsel. Enkele zijn de Helmholtzdubbellaag, de Gouy-Chapmandubbellaag, de Sternlaag, die een combinatie is van de Helmholzdubbellaag, de Gouy-Chapmandubbellaag en het Bockris/Devanathan/Müller (BDM) model.
Helmholtzdubbellaag. Door een spanning op een elektrochemische condensator aan te brengen, genereren beide elektroden in de supercondensator elektrische dubbellagen. Deze dubbellagen bestaan uit twee ladingslagen: een elektronische laag bevindt zich in de oppervlaktestructuur van de elektrode en de andere, met tegengestelde polariteit, wordt veroorzaakt door gedissocieerde en gesolvatiseerde ionen in de elektrolyt. De twee lagen worden gescheiden door een enkele molecuullaag van het oplosmiddel, de binnenste laag het Helmholtz-vlak (IHP) genoemd. Oplosmiddelmoleculen hechten zich aan het oppervlak van de elektrode door fysisorptie, waarbij de Vanderwaalskrachten betrokken zijn en scheiden de tegengesteld gepolariseerde ionen van elkaar. Ze kunnen worden geïdealiseerd als een moleculair diëlektricum. Er vindt geen overdracht van lading tussen elektrode en elektrolyt plaats, dus de krachten die de hechting veroorzaken zijn geen chemische bindingen maar fysieke krachten (bijvoorbeeld elektrostatische krachten). De geadsorbeerde moleculen zijn gepolariseerd maar hebben, vanwege het ontbreken van een ladingsoverdracht tussen elektrolyt en elektrode, geen chemische veranderingen ondergaan.
De hoeveelheid lading in de elektrode komt overeen met de grootte van de tegenladingen in het buitenste Helmholtzlaag (OHP). Dit dubbellaagfenomeen slaat elektrische ladingen op zoals in een conventionele condensator. De dubbellaaglading vormt een statisch elektrisch veld in de moleculaire laag van de oplosmiddelmoleculen in de binnenste Helmholtzlaag, die overeenkomt met de sterkte van de aangelegde spanning.