Superkondensatoren Automotive beflügelt den Markt für Supercaps

Redakteur: Gerd Kucera

Durch den Einsatz von Superkondensatoren in Automotive-Anwendungen lassen sich gegebene Einschränkungen in der Elektronikentwicklung umgehen, die etwa durch eine begrenzte Lebensdauer von Batterien gegeben sind.

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Miniatur-Superkondensatoren bieten eine lange Lebensdauer, hohe Leistungsdichte, erlauben schnelles Laden und besitzen eine hohe Zuverlässigkeit bei 85 °C für die Energiespeicherung im Automotive-Segment.
Miniatur-Superkondensatoren bieten eine lange Lebensdauer, hohe Leistungsdichte, erlauben schnelles Laden und besitzen eine hohe Zuverlässigkeit bei 85 °C für die Energiespeicherung im Automotive-Segment.
(Bild: KEMET/Yageo Group)

Ein Superkondensator ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der diese Energie durch reversible Adsorption und Desorption von Ionen an den Grenzflächen zwischen Elektrodenmaterialien und Elektrolyten speichert und wieder abgibt. Ein Superkondensator wird auch als Ultrakondensatoren oder Supercap bezeichnet, der das 10- bis 100-fache einer im üblichen Elektrolytkondensator gespeicherten Energie vorhält und für eine schnelle Entladung verwendet werden kann.

Der gutartige Ausfallmodus eines Superkondensators bei offenem Stromkreis steht im krassen Gegensatz zu den typischen Kurzschlussfehlern von Batterien, wie wir sie kennen. Solche bauteiltypische Kurzschlussfehler am Batterielebensende können zu einem Ausgasen oder Entzünden führen.

Superkondensatoren gelten hier als eine kostengünstige Alternative zu kleinen Pufferbatterien. Je nach Last und Strombedarf können diese Kondensatoren genug Energie speichern, um für einen Zeitraum von einigen Sekunden bis zu mehreren Stunden als Backup-Energiespeicher zu dienen.

Miniatur-Superkondensatoren bieten eine lange Lebensdauer, hohe Leistungsdichte, erlauben schnelles Laden und besitzen eine hohe Zuverlässigkeit bei 85 °C für die Energiespeicherung im Automotive-Segment.

Nach Automotive-Testprotokoll qualifiziert

Der renommierte Kondensatorhersteller KEMET (2020 vom taiwanesischen Komponentenhersteller Yageo Group übernommen) nutzt diese Eigenschaften für seine beiden neuen Hochleistungssuperkondensator-Serien FMD und FU0H für Automotive-Anwendungen. Laut Herstellerangaben haben sie eine garantierte Lebensdauer von 1000 Stunden bei Nennspannung mit 85 °C und 85% relativer Luftfeuchte bei einer Betriebstemperatur von -40 bis 85 °C.

Die Serie FMD bietet mit bis zu 4000 Stunden die höchste garantierte Lebensdauer. Die neuen Superkondensatoren sind nach einem Automotive-Testprotokoll qualifiziert und werden in einem ISO-TS-16949-zertifizierten Werk gefertigt. Bei einem Stromausfall übernehmen Super-Caps umgehend eine weitere Versorgung wichtiger Elektroniken. Superkondensatoren sind auch geeignet, um die Echtzeituhr oder den flüchtigen Speicher des Hauptversorgungssystems aufrechtzuerhalten, wenn diese etwa aus Service-Gründen entfernt werden.

Auch fungieren Superkondensatoren wie die FMD- und FU0H-Serien als Energiespeicher etwa für IoT-Geräte, intelligente Zähler, medizintechnische Geräte und Industrierechner.

In Sekunden vollständig aufgeladen

Die Miniatur-Superkondensatoren von KEMET verwenden eine proprietäre wässrige Elektrolytlösung, die eine hohe Beständigkeit gegen Flüssigkeitsaustritt, Vibrationen und starke Temperaturänderungen bietet und somit laut Hersteller eine hohe Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen garantiert.

Wässrige Elektrolyte sind hochleitfähig und nicht brennbar. Im Gegensatz zu einer Batterie transportieren die Superkondensatoren ihre Energie (laden und entladen) sehr schnell durch physikalische Adsorption und Ionendesorption im Elektrolyten zwischen den Elektroden. Durch den geringen Innenwiderstand eines Superkondensators können diese Bauelemente innerhalb weniger Sekunden vollständig aufgeladen werden.

Im Gegensatz dazu kann eine Sekundärbatteriezelle zwischen zehn Minuten bis zu mehreren Stunden brauchen, bis sie vollständig aufgeladen ist. Hinsichtlich Zyklen gibt es theoretisch keine Begrenzung der Lebensdauer bei Superkondensatoren, betont KEMET, während eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle eine endliche Lebensdauer von etwa 500 Zyklen hat. Superkondensatoren sind auch widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeitsaufnahme als organische Verbindungen, was zu einer längeren Lebensdauer bei besserer Stabilität führe.

Supercaps werden eine beliebte Alternative

In der Elektronikentwicklung wurden Supercaps inzwischen als Batterie-Alternative vielerorts erfolgreich etabliert. Zusammen mit der steigenden Nachfrage nach Automotive-Anwendungen und Systemen auf Basis erneuerbarer Energien beflügeln nicht zuletzt staatliche Vorschriften das Wachstum des Marktes für Superkondensatoren.

Laut aktueller Analyse des Marktforschers Allied Market Research hatte der weltweite Markt für Superkondensatoren im Jahr 2019 rund 3,27 Mrd. US-$ und soll bis 2027 auf knapp 17 Mrd. US-$ zulegen, mit einem jährlichen Wachstum (CAGR) von 23,3% zwischen 2020 und 2027.

Superkondensatoren sind geeignete Bauelemente für verschiedene Energiespeichersysteme, die eine höhere Leistungsdichte als Batterien und eine höhere Energiedichte als herkömmliche Kondensatoren bieten können. In der allgemein als Solartechnik bekannten Anwendung, etwa Solar-Leuchten, finden Superkondensatoren einen schnell wachsenden Markt.

Markt für Superkondensatoren wächst

Der Marktforscher schränkt jedoch ein, dass die hohen Anfangskosten der Materialien und der geringe Bekanntheitsgrad von Superkondensatoren das Wachstum des Marktes vorerst noch bremsen. Dennoch werden Superkondensatoren aufgrund ihrer verlängerten Betriebsdauer häufig in Solar- und Windenergieanwendungen eingesetzt. Darüber hinaus erwarten die Analysten, dass die steigende Nachfrage nach Mikro-Superkondensatoren lukrative Wachstumsmöglichkeiten für die Superkondensatorindustrie bieten.

Der aktuelle Report unterteilt den globalen Superkondensatorenmarkt nach Produkttyp, Modultyp, Material, Anwendung und Region. Hinsichtlich Produkttyp wird zwischen Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren und Hybridkondensatoren unterteilt. Das Segment der Pseudokondensatoren dominierte den Markt bezüglich Umsatz im Jahr 2019 und es wird erwartet, dass dieser Trend auch während des Prognosezeitraums anhalten wird.

Nach Bauteiltyp wird der Markt in solche mit unter 10 V, 10 bis 25 V, 25 bis 50 V, 50 bis 100 V und über 100 V unterteilt. Das Segment 10 V bis 25 V hatte im Jahr 2019 laut Report den höchsten Marktanteil, während das Segment über 100 V von 2020 bis 2027 voraussichtlich die höchste CAGR aufweisen werde.

Zu den wichtigsten Treibern des Marktwachstums der Superkondensatoren gehört insbesondere die steigende Nachfrage der Automobilindustrie nach solchen Bauteilen durch Eigenschaften wie lange Haltbarkeit, hohe Leistungsdichte und Schnellladefunktion, wie sie eben in Automobilanwendungen gefragt sind.

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