Supercaps Lebensdauer, Alterungsprozess von Doppelschichtkondensatoren

Lebensdauer von Supercaps

Ultracap-Wissen | Rainer Hake | Lesedauer: 6 Minuten

Welche Faktoren bestimmen die Lebensdauer der Ultracaps?

Die Frage nach der Lebens­dauer von ULTRACAPs wird häufig gestellt. Gewöhnlich wird die Lebens­dauer von EDLCs mit 1 Million Lade­zyklen bei 25 °C und unter Ein­haltung der Last­spezifikation angegeben. Ein Zyklus erstreckt sich üblicher­weise von Vollladung auf die Hälfte der spezifizierten Spannung. (Un auf Un/2)

Im Laufe eines Supercap-Lebens verliert der Konden­sator an Kapazität (C), der Innen­wider­stand (ESR) steigt. Das Ende der Lebens­dauer ist nach Definition dann erreicht, wenn die Kapazität bis auf 70% ihres ursprüng­lichen Wertes gesunken ist, oder der Innen­wider­stand sich verdoppelt hat.

Elektronik­entwickler interessiert insbe­sondere die Frage, wie sich die Lebens­dauer verhält, wenn die Zyklen nur zu 25 % oder 50 % der vollen Zyklus­zahl genutzt werden, also eine Entladung auf 75 % oder 50 % der ursprünglichen Entladungs­spannung erfolgt. Wie sehen die exakten Aus­wirkungen unterschied­licher Häufig­keit von Ladung und Entladung aus?  Wie wird die Lebensdauer von einer spora­dischen Entla­dung bei Anwesen­heit eines elektro­statischen Feldes und häufiger Entladung bei hohen Strömen beeinflußt?

Viele Faktoren, die den Alterungsprozeß beeinflussen

Fakt ist, dass der Alterungs­prozess von Konden­satoren von verschie­denen Faktoren abhängt. Dabei spielen Temperatur, Spannung, elektrische Ströme und die Zeit eine wesentliche Rolle. Ein weiterer Einfluss­faktor ist die "Diffusions-Kapa­zität" und der "Diffusions-Wider­stand", die in diesem  Wikipedia Artikal [EN: Diffusion Capacitance] genauer erläutert werden

Was beeinflußt nun die Lebensdauer von Ultracaps am stärksten?

  • Umgebungstemperatur
  • Zellspannung
  • Lade-/Entladeströme (Zyklenhäufigkeit)
  • Ladezyklen (Ladezeiten / Pausen)

Hierzu verweisen wir auf zwei öffentlich zugängliche wissenschaftliche Publikationen (siehe unten).

Entscheidender Einfluß von Temperatur und Spannung

Die Lebensdauer der SUPERCAPS wird im Wesent­lichen durch zwei Parameter beein­flusst: die Temperatur und die anlie­gende Zell­spannung. Beide Werte sollten also bei der Betrachtung der Lebens­dauer und der Auslegung des Systems beachtet werden. Der untere Temperatur­bereich von -40°C ist für die Supercaps geradezu ideal geeignet. Es ist nahezu kein kein nennens­werter Einfluss durch niedrige Tempera­turen feststellbar. Allerdings steigt der ESR durch die geringere Ionen­beweg­lichkeit bei niedrigen Tempera­turen an, was sich durch die Eigen­erwärmung im Betrieb in der Regel aber schnell wieder ausgleicht. Die Lebens­dauer der Zellen wird erst bei höheren Tempera­turen, ähnlich wie bei normalen Elkos, stark negativ beeinflusst. Diesem Temperatur­einfluss kann man durch die Reduzierung der Zell­spannung entgegenwirken.

Nach einer Faustformel gilt: 0,1V Zell­spannung entsprechen in etwa 10°C. Im Beson­deren sollte dies jedoch individuell betrachtet und im System­design berück­sichtigt werden. Die Lebens­dauer­angabe von üblicher­weise 10 Jahren in den Daten­blättern der Hersteller bezieht sich in der Regel auf Raum­emperatur und individuellen Spannungsangaben!

Lebendauer von Supercaps

Beispiel: Test mit hohen Belastungszyklen

Die Lebensdauer der Großenergie­speicher­systeme wie zum Beispiel in Eisen­bahnen, Bussen, Kranen usw. spielt eine heraus­ragende Rolle bei der Gesamt­betrach­tung der System­kosten. Deshalb gilt es die Zuver­lässigkeit und damit die Lebens­erwartung bestim­menden Para­meter zu überwachen und ggf. zu steuern. Die Lebens­dauer bestim­menden Parameter sind im Wesentlichen:

  • Zellspannung
  • Zelltemperatur
  • Umgebungstemperatur
  • Strombelastung der Zellen
  • Zyklysierung

Insbesondere bei hoher Zyklenanzahl und großen Strömen spielt auch die Ruhephase für die Zellen eine wichtige Rolle. Die Wärme­verteilung in den Zellen und die Kühlung solcher Systeme sind deshalb besonders wichtig und bedürfen der genau­eren indivi­duellen, anwen­dungs­abhängigen Untersuchung.

Methode: Beschleunigte Lastzyklen-Test

Die Industrieanwender haben deshalb eigene Test­methoden und Last­zyklen entwickelt, die Ihren Anfor­derungen am Besten entsprechen. Diese Tests sollen in möglichst kurzer Zeit die kalkulierte Lebens­erwar­tung simulieren. Bei den "beschleunigten Lebens­dauertests" geht man von anwen­dungs­nahen, aber in der Regel im Grenz­bereich der der tatsäch­lichen Nutzung ange­siedelten Werte aus. So werden die Last­zyklen schneller und mit höheren Leis­tungen angesetzt. Auch eventuelle Temperatur­zyklen werden parallel mit eingebracht. Die Grafik zeigt ein Beispiel eines solchen Lastzyklus.

Beispiel für eine Lastzyklus-Simulation

Aktuelle wissenschaftliche Publikationen
zum Thema "Lebensdauer von Supercaps"

  1. Der Artikel des EPCI - European Passive Component Institute: "Super­capacitor Degra­dation and Life-time" August 2022 beschreibt detailliert die Auswir­kungen von Spannung und Strom durch Experi­mente mit vielen Zyklen (>100.000) sowie über 9.000 Stunden fest­gestellte Auswir­kungen der Tem­peratur im Bereich zwischen -35 °C bis 65 °C. Er behandelt auch die diffuse Kapazität und den diffusen Widerstand.

  2. Die Dissertation von Moritz Teuber von der RWTH Aachen aus Juni 2019 "Lifetime Assessment and Degra­dation Mecha­nisms in Electric Double-Layer Capacitors" analysiert chemi­sche Prozesse, die die Lebens­dauer beein­flussen. Die vermeintlich einfachen Daumen­regeln, wonach kleine Änderungen der Spannung die Lebens­dauer verdoppeln oder halbieren, werden hier hinterfragt. Die Arbeit zeigt die kom­plexen Zusammen­hänge zwischen Spannung, Tempe­ratur und Zeit. Unterschied­liche Materia­lien und Eigen­schaften werden beleuchtet, auch im Hinblick auf die Lebens­dauer. Die Dissertation gibt Ent­wicklern eine wert­volle Anleitung zur Ver­besserung von Leistung und Lebensdauer.

Häufige Fragen

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  • ISO 9001:2015
  • ISO 14001:2015
  • UK Conformity
  • CE Conformity
  • EU RoHS
  • SDS Safety Data
  • TEC TSCA COC
  • EU REACH
  • CRRC
  • Halogen Free
  • et al
Warum werden Bauelemente wie Ultracaps unterschiedlich bezeichnet?

Die Begriffsvielfalt erklärt sich aus den in der Elektronik­branche üblichen englisch­spra­chigen Begriffen, die oft mit deutschen Bezeichnungen vermischt, bzw. synonym verwendet werden. Teil­weise wurden / werden auch von Herstellern Kunst­begriffe eingeführt, um sich von Wettbe­werbern besser zu unter­scheiden. Hier die wich­tigsten Beispiele:

Doppelschichtkondensatoren (DSK) werden gleich­bedeutend bezeichnet als:

  • EDLC (Electric Double Layer Capacitor)
  • Superkondensatoren [DE] = Supercapacitors [EN] = Supercaps [EN]
  • Ultrakondensatoren = Ultracaps
  • Goldcap™  [Panasonic]
  • Boostcap™  [Maxwell]
  • Greencap™  [Samwha]
  • PURIXEL™  [Pureechem] für Supercap-Zellen
  • PURETRON™  [Pureechem] für Supercap-Module

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