Nesscap Supercaps Header

Die Revolution kommt


In vielen Marktsegmenten gibt es batteriebetriebene Applikationen. Im Automobil-Bereich, beim Thema Elektromobilität, in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und vielen anderen Anwendungsfeldern kommen Batterien zum Einsatz. Die Anforderungen an Leistung und Nutzungsdauer sind dabei sehr hoch. Hier können Supercaps, auch Ultracaps oder EDLCs genannt, zum Einsatz kommen, die zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren (kurz: Akkus) aufweisen. Die Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH bietet über ihre Field Application Engineers intensive und umfassende Beratungsleistungen bezüglich der Einsatzmöglichkeiten von der Planung bis zur Realisierung von Projekten an. Rutronik hat darüber hinaus ein breites Sortiment an Supercaps im Portfolio, die auch online über die e-commerce-Plattform www.Rutronik24.com bestellt werden können. Auf dieser Seite stellen wir Ihnen die Features, mögliche Anwendungsgebiete und Vorzüge von EDLCs vor.

Was sind Supercaps?

Sie sind sicher, robust und langlebig: Doppelschichtkondensatoren (EDLCs - Electric Double-Layer Capacitors), auch Supercaps oder Ultracaps genannt, haben gegenüber Lithium-Ionen-Akkus viele Vorteile. Sie eignen sich für zahlreiche Einsatzgebiete - von der Energieversorgungstechnik bis hin zu Consumer-Geräten.

Supercaps sind elektrische Kondensatoren mit einer ungewöhnlich hohen Leistungsdichte. Im Vergleich zu normalen elektrolytischen Aluminium Kondensatoren verfügen Supercaps über eine tausendfach höhere Kapazität. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkus bieten Ultrakondensatoren deutlich mehr Leistung und eine längere Lebensdauer. Von EDLCs profitieren besonders Anwendungen, die ein Vielfaches der Ausgangsleistung benötigen, die ein Lithium-Ionen-Akku alleinig nicht liefern kann. In diesen Anwendungen fungiert der Supercap als Peak-Power-Unterstützung, in dem die Spitzenleistung durch den EDLC aufgefangen wird. Damit wird der Lithium-Ionen-Akku entlastet und seine Lebensdauer verlängert. Als Beispiel für ein solches hybrides System kann der Einsatz in einem Akkuschrauber genannt werden.

Wie funktionieren Supercaps?

Ein Supercap besteht aus zwei nichtreaktiven, porösen Kohleelektroden, die in ein Elektrolytsystem eingetaucht sind und an die über Anschlüsse ein Spannungspotential angelegt wird. In einer EDLC-Zelle zieht das an der positiven Elektrode angelegte Potential die negativen Ionen im Elektrolyt an, während das gleiche Potential an der negativen Elektrode die positiven Ionen anzieht. Ein dielektrischer Separator verhindert, dass zwischen den zwei Elektroden ein Kurzschluss entsteht. Die gespeicherte Energiemenge ist aufgrund der enormen Oberfläche, die an den porösen Kohleelektroden zur Verfügung steht, im Vergleich zu einem herkömmlichen Kondensator sehr groß.

Obwohl EDLCs als elektrochemische Vorrichtungen gelten, sind am Energiespeichermechanismus keine chemischen Reaktionen beteiligt: Es handelt sich stattdessen um ein physikalisches Phänomen, das äußerst reversibel ist und die enorm verlängerte Lebensdauer der EDLCs ermöglicht. Da die Lade- und Entladegeschwindigkeit ausschließlich von der physikalischen Bewegung der Ionen abhängt, kann der Kondensator die Energie viel schneller speichern und wieder freisetzen.

Im Gegensatz zu den klassischen EDLCs sind die Pseudokondensatoren von Nesscap eine Kombination aus Supercap und Hochenergiebatterie. Dieser besondere Aufbau vereint die schnelle Energiefreisetzung eines EDLCs mit der höheren Energiedichte eines chemischen Akkus. In einer Pseudokondensatorzelle wird eine der zwei porösen Kohleelektroden durch Materialien, wie metalldotierte Kohlenstoffe, leitfähige Polymere oder Metalloxide, ersetzt. Daraus ergeben sich zwei unterschiedliche Lademechanismen an den Elektroden: elektrisches Doppelschichtsystem an der porösen Kohleelektrode und eine Kombination aus Faradayschen Reaktionen und Oberflächenreaktionen an der Hochenergieelektrode. Diese Kombination erzeugt ein von der angelegten Spannung linear abhängiges Ladungsübertragungsverhalten, und infolgedessen funktioniert und verhält sich der Pseudocap wie ein Kondensator.

Die Nesscap-Pseudokondensatoren haben im Allgemeinen fast doppelt so viel Energie zu bieten wie Supercaps mit ähnlichen physikalischen Dimensionen, wobei die definierte Zyklenanzahl nicht so groß ist wie die der Supercaps, aber deutlich höher als bei Lithium-Ionen-Akkus. Bei Anwendungen, bei denen es nicht so sehr auf Zyklen mit hoher Beanspruchung ankommt, wie Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) oder sonstige Ersatzstromanwendungen, kann der Einsatz von Pseudokondensatoren die optimale Lösung sein.

 

 

Was zeichnet Supercaps aus?

Verglichen mit Standard-Akkumulatoren haben Ultrakondensatoren einige Vorzüge, die eine Vielzahl an Applikationen ermöglicht:

 

Parameters

Electrostatic Capacitor

Ultracapacitor

Battery

 
 

Discharge Time

10-6~10-3 sec

1-30 sec

0.3~3hrs

 
 

Charge Time

10-6~10-3 sec

1-30 sec

1~5hrs

 
 

Energy Density (Wh/kg)

<0.1

1~10

20~100

 
 

Power Density (W/kg)

< 10,000

10,000

50~200

 
 

Charge /Discharge Efficiency

~1.0

~1.0

0.7~0.85

 
 

Cycle Life

Infinite

> 500,000

500~2,000

 

Sicher und robust

Sicherheitsrisiken bei dem Einsatz von EDLCs zeigen sich gegenüber Lithium-Ionen-Akkus als geradezu minimal. Während Lithium-Ionen-Akkumulatoren elektrisch sehr schnell in Grenzbereiche kommen können und mit exothermen Reaktionen gerechnet werden muss; insbesondere bei unsachgemäßer Behandlung, erweisen sich EDLCs hier als eine deutlich robustere und sicherere Komponente. In den so genannten "Abuse-Tests" der Westsächsischen Hochschule Zwickau konnten die Forscher bisher keinen Supercap elektrisch schädigen, so dass er bei seiner Zerstörung sicherheitsrelevante Probleme verursacht hätte.

Eine Tiefenentladung ist im Gegensatz zu Lithium-Akkus für den EDLC unkritisch. Eine Überladung der Supercaps sollte hingegen vermieden werden, da sie die Lebensdauer stark reduziert und den Kondensator irreversibel beschädigen kann. Des Weiteren könnte ein möglicher Kurzschluss in der elektrischen Schaltung ein Gefahrenpotential beim Einsatz des Ultrakondensators darstellen. Durch den sehr niedrigen Innenwiderstand könnten auch bei verhältnismäßig kleinen Bauformen hohe Kurzschlussströme fließen. Auf Grund dessen ist der Einsatz bedarfsgerechter Schutzelemente wie z.B. Sicherungen zur Unterbrechung des Fehlerkreises zu empfehlen.

Welche Einsatzgebiete profitieren von Supercaps?

Viele Anwendungen können durch den Einsatz von Superkondensatoren effizienter werden; den größten Nutzen bieten sie aber für Applikationen, die ein schnelles Laden und Entladen mit großer Leistung und hohen Strömen erfordern. So können zum Beispiel in Hybridfahrzeugen nur Ultrakondensatoren große Mengen zurückgewonnener Energie während des Bremsens aufnehmen, speichern und schnell zum Beschleunigen freisetzen.

Trotz der untergeordneten Rolle, die sie in den heutigen Mikro- bis Mild-Hybridfahrzeugen spielen, kann die Energieeinsparung eine Kraftstoffersparnis von bis zu 15 Prozent ausmachen. In Energiespeichersystemen elektrischer Zügen, Straßenbahnen und U-Bahnen können sich diese Einsparungen leicht auf einen um bis zu 25 Prozent geringeren Energieverbrauch belaufen.

Ultrakondensatoren eignen sich auch für unterstützende Funktionen, da sie gemeinsam mit Akkumulatoren und Brennstoffzellen eingesetzt werden können, um Leistung und Lebensdauer des Gesamtsystems zu verbessern. Durch Verwendung von Ultrakondensatoren zusammen mit Akkumulatoren lassen sich Leistungsfähigkeit der Ultrakondensatoren und größere Energiespeicherkapazität der Batterien miteinander vereinen. Das ermöglicht eine längere Lebensdauer der Akkumulatoren, während die Gesamtleistung durch die für hohe Spitzenleistungen zur Verfügung stehende größere Energiemenge verbessert wird.

Der Ultrakondensator verfügt über ein großes Wachstumspotential, weil er auf Schlüsselmärkte ausgerichtet ist, in denen es auch um gesellschaftliche Anliegen unserer Zeit geht: Er ist umweltfreundlich, hilft Energie zu sparen und verbessert bei gemeinsamem Einsatz mit weiteren Technologien die Energieeinsparbilanz anderer Geräte.

 

 

In welchen Marktsegmenten bieten Supercaps Vorteile?

Im Folgenden finden Sie einige Anwendungsbereiche, die von Superkondensatoren profitieren können:

Automobil: Bordnetzstabilisierung, Mikro-Hybrid, Mild-Hybrid

Industrie & Verbraucher: USV, Medical, Leiterplatten mit kleiner USV, Roboter, Detektoren, Handgeräte, intelligente Stromzähler (AMR), Dashcams

Mobilität: Hybrid-Bus, Hybrid-Straßenbahn, Service-Truck, Kaltstarthilfe, Schifffahrt, elektrischer Hafenkran, Bagger

Erneuerbare Energie: Solar-Nachführung, Pitch Control-System

Netz: Netz- und Frequenzstabilisierung im Verbund oder Inselnetz

  • Batterieerssatz

  • Sicherheitsrelevante- & Notstrom-Anwendungen
    • Hohe Leistungsanforderungen
    • Genügend Energie zum Drehen der Flügel bei Abschaltung

  • Zuverlässig in extremen Umgebungen
    • Weiter Temperaturbereich (~40°Celsius -> +85°Celsius)

  • Geringfügige Wartungskosten
    • Längere Lebensdauer im Vergleich zu Batterien

  • Umweltfreundlich

  • Geringeres Gewicht
  • Anwendungen mit hoher Beanspruchung mit 1.000.000 Zyklen

  • 48 Volt - 177 Farad
  • Batterieerweiterung
    • Ausgleich bzw. Auffangen von Leistungsspitzen an der Batterie
    • Lösung für Spitzenleistungen

  • Überbrückung
    • Hoher Leistungsbedarf
    • Genügend Energie zum Überbrücken der notwendigen Zeit

  • Spitzendeckung
    • Ausgleich kurzer Leistungsspitzen im Stromnetz (kein Lastausgleich)
    • Geringfügige Wartungskosten
    • Längere Nutzungsdauer der Batterie

  • Lösung für Spitzenleistungen
    • Hohe Leistungsdichte

  • Zuverlässig in extremen Umgebungen
    • Weiter Temperaturbereich (-40°Celsius -> +85°Celsius)

  • Sicherheits- & Notstrombedarf
    • Reserve (Last Gasp)

  • Geringfügige Wartungskosten
    • Längere Lebensdauer
  • Fernüberwachungslösungen für intelligente Städte
    • Datenkommunikationsgeräte brauchen eine redundante Stromversorgung
    • Kommunikationsmodule für Straßenbeleuchtung
      • Supercaps als Energiespeicher für 2G-/3G-Modem

  • Sicherheit- & Notstrombedarf

  • Offboard-Kommunikation

  • Verkehrssicherheit
    • Sensoren, Instrumente, drahtlose Kommunikation etc.

  • Infrastruktur

  • 5G-Internet
    • Multimedia Broadcasting
    • Live-Streaming

Einige Mögliche Anwendungsbereiche

  • Netzqualität: Ausgleich von Spitzen und Einbrüchen in der Eingangsspannung
  • Speicher-Backup: Speichern von Prozess- und Positionsdaten zur Wiederaufnahme der Arbeit
  • Notstrom: Notstrom zum Beenden des unmittelbaren Prozessschritts vor endgültigem Ausfall der Stromversorgung

 

 

Wie kann das Know-how von Rutronik Ihrem Unternehmen helfen?

Rutronik leistet mehr als die reine Vermarktung von EDLCs: Wir beraten unsere Kunden persönlich und vor Ort, um sie von der Planung bis zur Realisierung ihres Projektes zu unterstützen. Darüber hinaus bieten wir Seminare an, die mit Themen wie POWER oder H.E.S.S. (Hybrid Energy Storage System) eine Plattform zum direkten Wissenstransfer und Austausch mit unseren Produktspezialisten sowie Herstellern bieten. Wir arbeiten mit der Hochschule Zwickau in einem Forschungsprojekt zusammen - so sind wir technisch wie auch fachlich immer auf dem neuesten Stand und treiben die Entwicklung verbesserter Energiespeichersysteme stetig voran. Derzeit befindet sich das Demoboard des H.E.S.S. in der Entwicklung, um im Anschluss unseren Kunden die Vorzüge eines hybriden Energiespeichersystems vorzustellen.

Unsere Vorteile für Sie auf einen Blick:

  • Zuverlässige und kompetente Ansprechpartner / Produktspezialisten für Supercaps
  • Eng verzahnte Beziehung zu führenden Herstellern weltweit
  • Weltweite Logistikdienstleistung
  • Technischer Support bei Entwicklungen (auch vor Ort beim Kunden) mit und ohne Hersteller
  • Einziger Broadline-Distributor, der die XP-Serie aktiv mit Nesscap in den Markt promotet
  • Verfügbarkeit und kurze Lieferzeiten: Alle Nesscap Artikel der kleinen (3F-50F) und mittleren Kapazitäten (100F-360F) ab Lager verfügbar, auch bei der XP-Serie (3F-50F)

Interview mit Herrn Bodach

Welche Supercaps gibt es?

Neue XP-Produktserie
 

Nesscap Part Number

Rutronik No.

Capacitance Rating

Biased Humidity Life*

 
 

ESHSR-0003C0-2R7UC

KUK974

2.7V 3F

2,000 Hrs

 
 

ESHSR-0005C0-2R7UC

KUK973

2.7V 5F

2,000 Hrs

 
 

ESHSR-0006C0-2R7UC

KUK972

2.7V 6F

2,000 Hrs

 
 

ESHSR-0010C0-2R7UC

KUK971

2.7V 10F

2,500 Hrs

 
 

ESHSR-0025C0-2R7UC

KUK965

2.7V 25F

3,000 Hrs

 
 

ESHSR-0050C0-2R7UC

KUK970

2.7V 50F

3,000 Hrs

 

* = Biased Humidity Life (at VR, 60°C, and 90% RH)

Standard-Produktserie
 

Nesscap Part Number

Rutronik No.

Capacitance Rating

Biased Humidity Life*

 
 

ESHSR-0003C0-2R7

KUK568

2.7V 3F

< 500 Hrs

 
 

ESHSR-0005C0-2R7

KUK798

2.7V 5F

500 Hrs

 
 

ESHSR-0006C0-2R7

KUK819

2.7V 6F

< 500 Hrs

 
 

ESHSR-0010C0-2R7

KUK638

2.7V 10F

500 Hrs

 
 

ESHSR-0025C0-2R7

KUK412

2.7V 25F

500 Hrs

 
 

ESHSR-0050C0-2R7

KUK443

2.7V 50F

1,000 Hrs

 
 

ESHSR-0100C0-002R7

KUK444

     
 

ESHSR-0360C0-002R7A

KUK786

     
 

ESHSR-0360C0-002R7A1

KUK980

     
 

EMHSR-0001C5-005R0

KUK632

     
 

EMHSR-0002C5-005R0

KUK633

     

Was macht die XP-Serie von Nesscap besonders?

Widerstandsfähig und leistungsstark trotz widriger Umgebungsbedingungen: Die neue XP™-Serie von Nesscap wurde speziell für den Einsatz bei hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen entwickelt.

Die neue Serie von Nesscap wurde unter der speziellen Testbedingung des "Biased Humidity Tests" (2,7 Volt, 90% relative Luftfeuchtigkeit, 60°Celsius) getestet und zeichnet sich dabei unter DC-Spannung mit einer deutlich verbesserten Lebensdauer im Vergleich zu Standardzellen aus.

Die XP™-Serie wird im Kapazitätsbereich von 3 Farad bis 50 Farad angeboten und verfügt über die identische Baugröße sowie identische elektrische Eigenschaften, wie die Nesscap Standard-Serie. Die patentierte Verschlusstechnik und Kontaktierung zeichnen die XP™-Serie aus. Sie ist konform mit RoHS-, UL- und REACH-Richtlinien. Die XP™-Serie wurde speziell für Anwendungen bei wechselhaften Umweltbedingungen und hoher Temperatur entwickelt. Sie ist für Temperaturen zwischen -40°Celsius und +65°Celsius spezifiziert und bietet eine lange Zyklenbeständigkeit von mindestens 500.000 Lade- und Entladezyklen.

Nesscap Ultracapacitors - was zeichnet das Unternehmen aus?

Seit seiner Gründung im Jahr 1999 ist Nesscap zu einem preisgekrönten weltweiten Marktführer in der technologischen Innovation und Produktentwicklung von Ultrakondensatoren geworden. Nesscap Energy ist weltweit führend in der EDLC-Technologie und produziert ein breites Spektrum an handelsüblichen Standardprodukten, zu denen einzelne Zellen und Module mit unterschiedlichen Spannungsbereichen gehören. Das Unternehmen ist nach ISO und TS zertifiziert und legt seinen Schwerpunkt auf eine hervorragende Qualität.

Die Produkte von Nesscap sind in den Marktsegmenten zu finden, die verschiedene Anwendungsmöglichkeiten und globale Chancen für ein anhaltendes Wachstum bieten: Mobilität, erneuerbare Energie, Industrie, Verbraucher- und Automobilbranche. Die Nesscap-Produkte dienen als Ersatz oder Erweiterung der Leistung hinsichtlich des Energie- und Leistungsbedarfs moderner Anwendungen, die von tragbaren elektronischen Geräten bis zu 'grünen' Hightech-Fahrzeugen reichen. Sie stehen als Einzelzellen sowie als Module zu Verfügung.

Die Eigenschaften des Ultrakondensators lassen den Einsatz dieser Technologie in Anwendungsbereichen zu, in denen die Eignung von Akkumulatoren im Hinblick auf Leistung, Anforderungen an Lebensdauer und Umgebungsbedingungen begrenzt ist.

Bei Nesscap laufen aktive Forschungs- und Entwicklungsprogramme zur Erweiterung des aktuellen Produktportfolios und zur Versorgung der Entwicklungspartner mit kundenspezifischen Lösungen. Das Produktangebot umfasst einzelne Zellen, die von 3 Farad bis zu 3000 Farad reichen, wie auch Module mit höheren Spannungen von 5 Volt bis 125 Volt. Auch kundenspezifische Lösungen sind möglich. Dank der anhaltenden Innovation und Entwicklung bei Nesscap konnten in den letzten fünf Jahren über 20 neue Produkte auf den Markt gebracht werden.