mini|Radiale Lithium-Ionen-Kondensatoren bis 200 F für Leiterplattenmontage Lithium-Ionen-Kondensatoren (, LIC) sind Superkondensatoren mit asymmetrischen, d. h. unterschiedlich aufgebauten Elektroden. Sie gehören in die Gruppe der sogenannten Hybridkondensatoren. Ihre elektrische Kapazität setzt sich zusammen aus der Serienschaltung einer positiven Elektrode eines herkömmlichen Doppelschichtkondensators mit einer statischen Doppelschichtkapazität und einer zweiten, aus einem Akkumulator stammenden und mit Lithiumionen dotierten negativen Elektrode mit einer zusätzlichen, sehr hohen elektrochemischen Pseudokapazität.

Die Dotierung der negativen Elektrode bewirkt, dass die Spannungsfestigkeit des Kondensators etwa 3,8 V beträgt. Da die gespeicherte Energie eines Kondensators quadratisch mit der Spannung anwächst, ist die Energiedichte (Speicherfähigkeit) von Lithium-Ionen-Kondensatoren mit etwa 3,8 V deutlich höher als die von herkömmlichen Doppelschichtkondensatoren mit 2,5 V. Zugleich behalten Lithium-Ionen-Kondensatoren die sehr hohe Leistungsdichte von Doppelschichtkondensatoren, besitzen also die Fähigkeit zur schnellen Be- und Entladung gekoppelt mit einer großen Zyklusfestigkeit und langer Lebensdauer, wodurch sie deutliche Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufweisen.

Ihre Eigenschaft der schnellen Lade- und Entladefähigkeit gekoppelt mit einer vergleichsweise hohen Energiedichte macht Lithium-Ionen-Kondensatoren für den Einsatz bei neuen Konzepten der Elektromobilität attraktiv. Beispielsweise kommen sie als Speicher für die Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) sowie als Energielieferant bei Lastspitzenbedarf in Bahnen, Bussen und in Kraftfahrzeugen in Frage.

Prinzipieller Aufbau, Speicherprinzipien und Familienzuordnung Prinzipieller Aufbau mini|Prinzipieller Aufbau eines Lithium-Ionen-Kondensators Lithium-Ionen-Kondensatoren ähneln von der Grundkonstruktion her den Doppelschichtkondensatoren. Sie bestehen ebenfalls aus zwei großflächigen Elektroden, die mit einem leitfähigen Elektrolyten, einem Ionenleiter, elektrisch miteinander verbunden sind. Die Elektroden werden durch eine elektrisch durchlässige Membran (Separator) getrennt und gegen eine direkte Berührung gegeneinander und somit chemisch isoliert. Flächige Stromableiter (Kollektoren) kontaktieren die jeweilige Elektrode und verbinden sie mit den äußeren Anschlüssen. Diese Unterteile können zu einem Wickel gewickelt werden oder aber in mehreren Lagen zu einem Stapel verarbeitet werden. Anschließend werden sie in einem gemeinsamen Gehäuse (Zelle) eingebaut und mehr oder weniger hermetisch verschlossen.

mini|Prinzipieller Unterschied im Aufbau von EDLCs, LIC und Li-Ion-Akkus

Lithium-Ionen-Kondensatoren unterscheiden sich allerdings in einer Hinsicht von herkömmlichen Doppelschichtkondensatoren, die zwei symmetrische statische Doppelschichtelektroden besitzen. Sie kombinieren eine Doppelschichtelektrode mit einer Batterie ähnlichen Elektrode und werden dadurch zu Hybridkondensatoren. Von den Lithium-Ionen-Akkumulatoren unterscheiden sich die Lithium-Ionen-Kondensatoren im Aufbau der positiven Elektrode, die bei den Li-Ion-Akkus eine elektrochemische Metall-Oxid-Elektrode ist.

Als Hybridkondensatoren besitzen die Lithium-Ionen-Kondensatoren zwei unterschiedliche Elektroden, die unterschiedliche Fähigkeiten besitzen. Die positive Elektrode eines LIC besteht meist aus Aktivkohle und entspricht damit einer herkömmlichen Elektrode eines Doppelschichtkondensators, die elektrische Energie statisch in einer elektrischen Helmholtz-Doppelschicht speichert.

Die Besonderheit beim Lithium-Ionen-Kondensator ist die negative elektrochemische Redox-Elektrode mit interkalierten Lithium-Ionen. Sie besteht, je nach Hersteller, entweder ebenfalls aus speziell dafür geeigneter Aktivkohle oder Graphit, aus einem leitfähigen Polymer oder aus Graphen in Form von Kohlenstoffnanoröhren und speichert die elektrische Energie elektrochemischen in einer sogenannten Pseudokapazität über Redoxreaktionen verbunden mit faradayschen Ladungs-Transfer-Übergängen. Beide Speicherarten, die statische wie die faradaysche, besitzen eine lineare Abhängigkeit der gespeicherten elektrischen Energie zur Spannung am Kondensator. Neben Graphit kann jedoch alternativ auch Li4Ti5O12 als negative Elektrode verwendet werden, welches auch in Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine hohe elektrochemische Belastbarkeit vorweist.

Statisches und elektrochemisches Speicherprinzip Statische Doppelschichtkapazität mini|Schematische Darstellung einer Doppelschicht an einer Elektrode (BMD Model). 1. Innere Helmholtz-Schicht (IHP = Inner Helmholtz Plane), 2. Äußere Helmholtz-Schicht (OHP = Outer Helmholtz Plane), 3. Diffuse Schicht, 4. Gelöste Kationen, 5. Adsorbiertes Ion (Redox-Ion, das zur Pseudokapazität beiträgt), 6. Moleküle des Elektrolyt-Lösungsmittels Der physikalische Effekt, der in einer Helmholtz-Doppelschicht einer Elektrode auftritt, bewirkt, dass beim Anlegen einer Spannung sowohl im Oberflächenbereich einer Elektrode als auch im Elektrolyten jeweils eine elektrisch trennende Schicht, eine Doppelschicht, entsteht, die spiegelbildlich symmetrische auch an der zweiten Elektrode des Kondensators wiederzufinden ist. Die „Dicke“ einer Schicht im Elektrolyten liegt im Bereich des Durchmessers eines Lösungsmittelmoleküls, also etwa 0,1 bis 10 nm. An diesen Grenzschichten sammeln sich die anionischen beziehungsweise kationischen Ladungen beim Laden des Kondensators spannungsabhängig spiegelbildlich mit einer Adsorptionsreaktion statisch an. Die Ladungen der adsorbierten Ionen im Elektrolyten werden durch Gegenladungen in den Elektroden ausgeglichen.

Zwischen den angesammelten Ladungen, den Ionen im Elektrolyten und den Ionen in der Elektrode innerhalb der Phasengrenzen, kommt es zu einer Ladungstrennung mit der Bildung eines elektrischen Feldes, dessen Stärke der angelegten Spannung entspricht. Damit wird durch die Helmholtz-Doppelschicht ein statischer Kondensator gebildet. Beim Entladen verteilen die Ionen sich nach einer Desorptionsreaktion wieder im Elektrolyten.

Elektrochemische Pseudokapazität Die Speicherung elektrischer Energie in einer Pseudokapazität erfolgt mit Hilfe einer einfachen reversiblen Redoxreaktion (Reduktions-Oxidations-Reaktion) zwischen der Elektrode und den Kationen im Elektrolyten, die an der Oberfläche der Elektrode abläuft. Beim Entladen geben die Kationen an der negativen Elektrode (Kathode) jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode (Anode) fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Anionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht „elektronenhungrigen“ Übergangsmetallionen.

Die Redoxreaktionen sind innerhalb enger Spannungsgrenzen wie eine Kapazität wirksam und können auch so gemessen werden, wobei allerdings im Gegensatz zu Akkumulatoren an den Elektroden keine Stoffänderung eintritt. Die Fähigkeit von Elektroden, Redoxreaktionen, die zu einer Pseudokapazität führt, zu bewerkstelligen, hängt vom Material der Elektroden ab. Dafür geeignet, weil sie die elektrochemischen Redoxreaktionen ermöglichen, sind Elektroden aus speziellen Aktivkohlen, leitfähigen Polymeren oder bestimmten Metallen oder Metalloxiden, die in das Elektrodenmaterial durch Dotierung eingebracht werden und mit Hilfe einer Interkalation, d. h. Einlagerung von Fremdatomen oder Verbindungen in die Zwischenräume von Schichtebenen, z. B. von Graphit, eingefügt, an denen dann die Redoxreaktionen mit den dafür geeigneten Kationen stattfinden. Eine Pseudokapazität kann, bei gleichem Volumen oder gleichem Gewicht, eine bis zu 100-fach größere Kapazität bilden als eine statische Kapazität in einer Helmholtz-Doppelschicht. Das hängt von der Größe der beteiligten Atome ab, die meist deutlich kleiner als die Ionen im Elektrolyten sind. Außerdem sind die elektrochemischen Redoxreaktionen sehr schnell. Damit besitzen Lithium-Ionen-Kondensatoren einen wesentlichen Vorteil gegenüber Akkumulatoren: Der Lade- und Entladevorgang ist deutlich schneller als bei Akkumulatoren.

Familienzuordnung

Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Arten der Speicherung elektrischer Energie in einem Bauelement, einer elektrostatischen Kapazität an der Helmholtz-Doppelschicht und einer elektrochemischen Redox-Pseudokapazität, ist es erforderlich, eine Systematik der daraus resultierenden Bauelemente zu erstellen. Diese Familienzuordnung führt zu einem Stammbaum, der die Trennung in reine Doppelschichtkondensatoren, in Pseudokondensatoren sowie in Kondensatoren, die beide Effekte in sich tragen, den Hybridkondensatoren unter dem Oberbegriff „Superkondensatoren“ bildet. Basis dieser Unterteilung ist die Konstruktion der jeweiligen Elektroden, deren Eigenschaften die Funktion der Kondensatoren bestimmt. In der Industrie werden Superkondensatoren auch oft Ultrakondensatoren genannt.

Funktionsweise und Eigenschaften Funktionsweise

Lithium-Ionen-Kondensatoren (LIC) gehören zur Familie der Superkondensatoren und sind darin Hybridkondensatoren mit asymmetrischen Elektroden. Sie kombinieren eine statische Doppelschichtelektrode mit einer elektrochemischen Redox-Elektrode, die mit interkalierten Lithium-Ionen dotiert ist und die beide durch einen Lithium-haltigen Elektrolyten elektrisch miteinander verbunden sind.

Beim Anlegen einer Spannung an den Kondensator dissoziieren die Ladungsträger im Elektrolyten in ihre positiven (Kationen) und negativen Ladungen (Anionen). An der positiven Elektrode eines LIC, die meist aus Aktivkohle besteht, reichern sich dann beim Laden des Kondensators die anionischen Ladungen spannungsabhängig mit einer Adsorptionsreaktion statisch an der Doppelschicht an. Damit bildet sich an der positiven Elektrode des LICs ein interner Kondensator mit der Kapazität, die sich aus der Oberfläche der Elektrode und dem durch die Doppelschicht gegebenen Abstand ergibt.

Die Besonderheit beim Lithium-Ionen-Kondensator ist die negative elektrochemische Redox-Elektrode. Sie besteht, je nach Hersteller, entweder ebenfalls aus Aktivkohle oder Graphit, aus einem leitfähigen Polymer oder aus Graphen in Form von Kohlenstoffnanoröhren. In die negative Elektrode des Lithium-Ionen-Kondensators werden während des Herstellprozesses positiv geladene Lithiumatome durch Dotierung in die Zwischenräume von Schichtebenen des Elektrodenmaterials eingelagert (interkaliert). Dort geben sie eine Ladung in Form eines Elektrons an das Material der Elektrode weiter, wodurch ein Elektronenüberschuss erzeugt wird und das Potential dieser Elektrode abgesenkt wird. Dieser Effekt hat Auswirkungen, als wäre in die negative Elektrode ein galvanisches Element eingebaut, das eine Vorspannung (Klemmenspannung) von etwa 2,2 bis 3 V erzeugt. Der Lithium-Ionen-Kondensator wird erst dann geladen, wenn die am Kondensator anliegende Spannung größer als die Klemmenspannung ist. Dann wandern die im Elektrolyten verteilten positiven Lithiumionen an negative Elektrode, können dort ebenfalls eine Interkalationsverbindung eingehen und mit einer Redoxreaktion ihre Ladung abgeben. Die negativ geladene Elektrode bildet damit einen internen Kondensator, dessen Kapazität sich aus der Pseudokapazität der interkalierten Lithium-Ionen ergibt.

mini|Lithium-Ionen-Kondensatoren haben ein lineares Lade-Entladeverhalten und unterscheiden sich damit deutlich von Akkumulatoren