Funktionsweise von Doppelschicht-Kondensatoren basierend auf dem Helmholtz-Prinzip
Der technische Aufbau eines Doppelschicht-Kondensators kann vereinfacht als Plattenkondensator verstanden werden, bei dem es hauptsächlich darauf ankommt, die Elektroden mit größter Oberfläche auszulegen. Dafür ist aktivierte Kohle bestens geeignet, da sie Kapazitäten bis zu 100 F/g bezogen auf die Aktivmasse einer Elektrode erlaubt.
Als Elektrolyt, das sich als leitende Flüssigkeit zwischen den Elektroden befindet, wird in wässrigem oder organischem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz eingesetzt, das Spannungen von 2,5 V anzulegen gestattet. Bei Anlegen einer Spannung werden dissoziierte Moleküle des Elektrolyts mit einem Abstand von ein paar Angström* als Kationen bzw. Anionen an die kohlebeschichteten Elektrodenoberflächen angelagert und erzeugen die sogenannte Doppelschicht. Eine durchlässige Membrane, Separator genannt, verhindert dabei als Trennschicht einen Kurzschluss zwischen den Elektroden. Die enorme Oberfläche der Elektrode schlägt sich in einer sehr großen Kapazitätsausbeute nieder. Bildlich gesprochen, lässt sich mit der inneren Fläche des Doppelschicht-Kondensators ein Fußballfeld auslegen.
Aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Elektrolyten sowie des sehr geringen Elektrodenabstands wird ein serieller Ersatzwiderstand im mΩ-Bereich erzielt. Hierbei wird der gesamte Elektrolyt in der Aktivkohleschicht gebunden.
Eine Ladung oder Entladung des Doppelschicht-Kondensators ist mit einer Umbildung der Schichten im elektrischen Feld und somit der Bewegung der Ladungsträger im Lösungsmittel -auch durch die Trennschicht hindurch- verbunden. Dieses Phänomen stellt die Hauptursache für die eingeschränkte Wechselspannungstauglichkeit und den steil abfallenden Frequenzgang der Kapazität von Doppelschicht-Kondensatoren dar.
* 1 Å = 0,000 000 1 mm
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