SuperCaps-DoppelSchichtKondesatoren Flashcards
Welche Eigenschaften besitzt der SuperCaps, bzw. die Doppelschichtkondensatoren?
Eine sehr geringe Energiedichte, der sogar unterhalb von der BleiSäure Batterien liegen.
Eine sehr hohe Leistungsdichte
Sehr hohe bis 100.000.000 Zyklenanzahl möglich, den bekommen wir aber nur dann wenn wir sehr geringe DODs fahren 3% bis 5%.
Wann sind die SuperCaps eine Option ?
Die SuperCaps sind dann eine Option, wenn es sich um hohe Leistungen oder sehr hohe Zyklenzahlen gebraucht werden.
In welcher Größenordnung haben die DSK ihre gespeicherte Energie? und was ist im Vgl zu Elektrischer
Kondensator,Folien kondensator
die DSK haben eine gespeicherte Energiemenge von Wh während die normale Kondensator einige Ws hat und Folien kondensator einige mWs
Wie ist die Aufbau eines DSK?
Der hat quasi eine in Serie geschaltete zwei Konsensatoren, d.h. Gesamtkapasität ist halb so groß wie die einzelElektrode,
Wie ist die Ruhepotenzial eines SuperCaps?
Ein SuperCap hat keine Ruhepotenzial bedingt durch elektrochemsiche Reaktionen, Wenn Soe leer ist, dannist die Spannung 0V.
Keine Chemische Reaktion -> Lange Lebensdauer!
SuperCap Elektrodenmaterial und seine Eigenschaften erläutern?
- Als Aktivmaterial in den Elektroden haben wir Kohlenstoff mit sehr großen Oberfläche per gramm, 2000m2 pro gramm.
- Kohlenstoff mit sehr hoher innerer Oberfläche, aber schlechter elektronischer Leitfähigkeit
- Zusatzstoffe zur Verbesserung der Leitfähigkeit („ Leitruß als Elektronenleieter “) und der Stabilität („Teflon als Binder”),
- Das teurere Elektrodenmaterial bestimmt maßgeblich den Preis der Supercaps
- Sehr geringer Abstand zwischen Ionen und Kohlenstoff
Größenordnung in nm.
SuperCap Elektrolyt und seine Eigenschaften erläutern?
Organischer Elektrolyt bestehend aus
Lösungsmittel: Acetonitril
Ionenmaterial: Leitsalze
typashce Leitfähigkeiten sind 10-60ms/cm zum Vgl. H2SO4 hat 800ms/cm
Organisch denn wir wollen halbwegs eine gute Spannung haben und hohe Spannungen bei DS Kondensatoren bei 2,8V. Aber WasserzersetzungsSpannung bei 1,2V, daher organisch und wasserfrei.
SuperCap Elektroden und seine Eigenschaften erläutern?
Spezielles, elektrochemisch inertes Kohlenstoff Puder mit einer spezifischen Oberfläche von
etwa 2000 m²/g. Das Kohlenstoffpulver wird zusammen mit Hilfsstoffen als Paste auf die Aluminium Folie aufgetragen.
SuperCap Seperator und seine Eigenschaften erläutern?
Dichtes und dünnes Spezialpapier auf Zellulosebasis.
INFO
Die Dicke des Seperators hat keinen Einfluss auf die Kapasität des Kondestors. Wesentliche Abstand für die Bestimmung der Kapasität ist der Anstand zwischen den Ionen und Kohlenstoff.
Abstand zw. elektroden ist für Innenwiederstand wichtig, den hängt von der Weg mit der Ionen zu tun.. also Leistungsfähgkeit hängt von Seperatordichte ab, aber nicht die Kapasität.
Ziel ist möglichst gering Innenwiederstand.
LI-Ion vs. Supercap
positive Elektrode
negative Elektrode
elektrolyt
Speicherprinzip
Zellsapnnung
Energiedichte
Leistungsdichte
Li Metalloxid | Kohlenstoff
Graphit | Kohlenstoff
organish | organisch
chemisch | elektrostatisch
3,6V - 4,2V | 2,5V - 2,8V
>100 Wh/kg | 5wh/kg
>1000 W/k g |>5000W/kg
Eigenschaften von SuperCaps
- Hohe Leistungsfähigkeit
- ….. gespeicherte Energie, daher sind Ladungen und Entladungen mit hohen Leistungen nur kurz (Größenordnung einige Sekunden), sehr …… volumetrische und gravimetrische Energiedichte
- ….. Zyklenlebensdauer (Größenordnung ….. ) bei 100% Entladetiefe
- ….. Spannungsabfall bei konstantem Strom ( 𝑈=1/𝐶∙ int( 𝐼) 𝑑𝑡 = Q/C) und dadurch in ….. Ladezuständen bei konstanter Leistungsanforderung sehr …. Ströme. Also die elektrochemishce Entladespannung, welche ziemlich konstant ist, haben wir hier nicht.
- Hohe Leistungsfähigkeit auch bei sehr tiefen Temperaturen
- Relativ einfach Zustandsbestimmung bzgl. …. und ….., daher in sicherheitskritischen Anwendungen aufgrund von hoher erreichbarer Zuverlässigkeit interessant
- Starke …. Alterung („Halbierung der Lebensdauer mit ….., siehe Analysen in dieser Vorlesung)
- Hohe …. pro kWh speicherbarer Energie
*
- Hohe Leistungsfähigkeit
- Wenig gespeicherte Energie, daher sind Ladungen und Entladungen mit hohen Leistungen nur kurz (Größenordnung einige Sekunden), sehr geringe volumetrische und gravimetrische Energiedichte
- Hohe Zyklenlebensdauer (Größenordnung 10 5 bis 10 6 ) bei 100% Entladetiefe
- Linearer Spannungsabfall bei konstantem Strom ( 𝑈=1/𝐶∙ int( 𝐼) 𝑑𝑡 = Q/C) und dadurch in tiefen Ladezuständen bei konstanter Leistungsanforderung sehr hohe Ströme
- Hohe Leistungsfähigkeit auch bei sehr tiefen Temperaturen
- Relativ einfach Zustandsbestimmung bzgl. Leistung und Energie, daher in sicherheitskritischen Anwendungen aufgrund von hoher erreichbarer Zuverlässigkeit interessant
- Starke temperaturbedingte Alterung („Halbierung der Lebensdauer mit** 7K Temperaturanstieg**,)
- Hohe Kosten pro kWh speicherbarer Energie
Vergleich von Eigenschaften und Funktion zw. Kondensator und Batterie
Speicherung der Energie
Kondensator:
Batterie:
Zyklenlebensdauer
SuperCaps:
Batterien:
Folie 15
Speicherung der Energie
Kondensator: elektrostatisch
Batterie: elektrochemisch
Zyklenlebensdauer
SuperCaps: viele 100,000 Zyklen
Batterien: einige hundert bis einbige Tausend
Impendanzspektren bei Supercaps erklären
45° Winkel bei der Frequenmzzunahme aufgrund der Porenstrukturen von Poren und hat mit der Porosität zu tun.
Bei der sehr geringen Frequenzen haben wir dann eine fast kapasives Verhalten durch 1 /jwC
Mit abnehmender Temperatur haben wir um die frequenzgrößen um 70 bis 100 Hz eine eine abnehmende Wiederstand, dieses Phänom kehrt sich um und mit der zunehmender frequenz nimmt die Wiederstand bei geringeren Temp zu.
Entladung mit der konstanten Leistung
Wie sieht die Spannungs und Stromverläufe?
15
wir haben eine überlinearen Spannungsabfall denn wir haben eine konstante Lesitungsentladung und dabei bei sinkenden Spannung muss die Strom zunehmen um konstante Leistung zu bringen und da Strom zuimmt fällt die Spannung schneller ab
Man geht obwohl es keinen Alterungsbedingte Einschränkung gibt nicht auf Spannungen bis 0V und DOD bei 100% DENN,
denn wenn ich bei konstanter Leistungsentladung alles von Kapasität entnehme dann sinkt meine Spannung zu sehr niedrigen Werten und meine Strom müsste sehr sehr hoch sein , sodass ich andere Betribesmitteln darauf auslegen müsste.
hohe I2R verlsuet-> wärmeerzuegung-Y>alterung
Daumenregel Betrieb bei Un/2 ->bis-> Un, 75% bekommt man als Energie somit raus
SuperCups wirtschaflich usw. innteressant wenn,
für wenige Sekundelang sehr hohe Lesitungen gezogen werden soll und sehr hohe Zyklenzahlen gefahren werden
BauFormen SuperCaps
prismatisch
zylndrich
MicroSuperCup
Abhängigkeit der Kapazität von der Stromstärke
Abhängigkeit der Kapazität von der Frequenz
Kapasität sinkt bei der höheren Stromstärken bzw. C Raten
Kapasität sinkt mit zunehmender Frequenz
Daumenregel Alterung
- Halbierung der Lebensdauer beim 100 mV Betriebsspannung über 2,5V. (jedoch bei kurzfristigen Sachen kann man das schon machen und 2,5V hinaus gehen und man bekommt mehr Energie raus da sie Spannug in die egspecihrte Energie ^2 geht. E = 1/2 CU^2)
- Halbierung der Lebensdauer bei 10 Grad Temperhöhung (eig. noch mehr )
*
Wesentliche Alterungsprozess ist die …. , dh elektronen kommen aus der Kohlenstoff in die Elektrolyt, diese Ionen werden dann neutralisiert
Übertritt von Aktivmasse in die …. , bei der hohe Spannung - Temp. leichter denn, eben dabei mehr Energie im System reinsteckt.
Zersetzung des Elektrolyt
Elektrolyt
Bei den SuperCaps ist die …. Alterung(Tests) mehr relevant. Diese sind einfacher und günstiger , man stellt eine gewisse Ladezustand ein und hält diese bei konstanter Spannung in einer Temp und kann es testen. Diese Tests sind mehr im Fokus denn nach der Grundannahme die Alterung die Zersetzung des Elektrlozten und vielleciht auch die Korrision des Aluminium ist und diese Effekten lassen sich ganz gut erklären die bei gewissen Spannungen und Temp auftreten. Jedoch aus diesen …. Tests lasst sich die ….Lebensdauer nicht ganz ableiten.
kalendarische
kalendarische
Zyklen
End Of Life Kriterium bei der SuperCaps
Verdopplung des Innenwiderstandes
Kapazität ist weniger als 70% der Anfangskapazität
Was stimmt mit der unseren Daumenregel nicht ?
siehe Folie 40 für Daumenregel
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Zellen bei 65°C/UN altern schneller als die bei 45°C/UN+200mV obwohl sie beide ggü. Ref. Temp. eine 16 Fache beschleunigte Alterung aufweisen und ähnliche Rel.Wiederstandskurven oder auch Rel. Kapasität aufweisen sollen
Stärkerer Einfluss der Temperatur auf die Alterung als erwartet
Erhöhte Temperatur hat größeren Einfluss als erhöhte Spannung
Bestimmung einer neuen Formel nötig.
Aktualisireung der Daumenregel für das Lebensdauer?
unterschiedliche Lebensdauererwartungen bzg. der Kapasität und die Wiederstand.
21 Jahre bzg. Kapasität (also bis 70% der Anfangskap erreicht ist bei nom Bedingunggen Un und 25°)
14 Jahre bzg. Innen Wiederstand (also bis 70% der Anfangskap erreicht ist bei nom Bedingunggen Un und 25°)
Auch die Parametern ändern sich von 100mV auf 120 mV und 10° auf 7° bei der Lebensdauerberechung auf Kapasitätsbasis
Auch die Parametern ändern sich von 100mV auf 100 mV und 10° auf 7° bei der Lebensdauerberechung auf Innenwiederstandbasis
INFO
Zur Kompensation von erhöhten Temperaturen ist ein starkes Absenken der …. notwendig und der
daraus resultiernde Energieverlust muss zur Maximierung der Lebensdauer akzeptiert werden
Spannung
Ladeverhalten Supercaps bei der KonstantStrom
Bei einer KonstStrom Ladeverhalten steigt im ersten Moment die Spannung aufgrund der Spannungsabfall über die Rs (innenwiederstand). dann lineare Spannungsanstieg über 1/C int(Ikonst) und bei der Abschaltung der konst Strom die Spannungsabfall wieder um die erste Anstieg
INFO LADEN
Wenn ich mit hohen Strömen auflade und bei entladeschlusspannung die Aufladen mit konst Strom beende sehe ich dass die Spannung massiv abfällt den über diesen Serieninnenwiederstand fallen ja beim direkt beim Aufladenbeginn eine Spannung ab und steigert die Zellenspannung um Ri*I ab und diese ohmache Spannungsanstieg geht wieder zurück wenn ich mit dem Aufladen fertig bin.
Dies führt eine Verringerung der speicherbaren Energie bei der konstant Stromladen
Wie ist das Selbstentladeverhalten von SuperCaps?
Je nach dem wie lange wir laden bis zur 2,4 V Entladeschlussspannung habne wir Unterschiede bei der Selbstentladungen.
Wenn ich 5 Tage auflade habe ich wegen der geringen Selbstentladung um 100mV mehr Energie drinenn nach 50h in Vgl. zu eine Aufladen mit 15 min. E= 1/2 CU^2, erhebliche Energieverlust.
Grund ist die Umverteilungen der Ladungsträger und eig. nicht die Selbstentladung
Temp. ist auch relevant für die Selbstentladung, schneller bei höheren Temperaturen.
Das hängt allerdings nicht mit der ohmschen Spannungsabfälle direkte nach der Ende der Aufladephase nicht zu tun, denn das Experiment messt die Verhalten von 15 min bis 2 Tagen und Selbst bei der 15min fließen sehr kleine Ströme, sd.nicht zu einer Spannungsabfall kommt nach der Ladeschluss.
Selbstentladungsverhalten hängt auch von der Vorgeschichte ab.
Ich starte am selben Spannungspunkt, habe aber unterschiedliche Selbstentladungskurven, abhänigig davon, ob ich auf 2,4V von 2,1 gekommen bin oder 2,7.
Der Grund: bei hohen Strömen in kürzester Zeiten treffen e- und Ionen an der Öffnungen der Poren. Aber das ist nicht energestisch günstugsten Zustand, Eine energetisch günstigen Zustand ist eine gleichmäßige Verteilung wie es bei der 24h Ladung der Fall ist.
Dadurch dass wir von 2.1 V auf 2,4 sehr schnell gehen haben wir an der Porenöffnung eine ungleichmäßige Verteilung bekommen, welche sich dann bei offenen Klemmenetrieb wieder ausgleicht sodass es zu sogennanten schnellen Selbstentladung komt beim Beginn. (FOlie 58)
Selbstentladung ist allerding nach einer Entladung von 2,7 auf 2,4V weniger ,
Es gilt dass bei dynamischen Zuständen die Porenöffnungen die Spannung viel beeinflussen.
Wenn ich schnelllade, dann habe ich bei der Porenöffnungen die am Vorne stehen mehr elektornen und Ionen zusammen gebracht sodass die Spannung nach der Aufladen sich wieder verringert durch das vergleichmäßige Aufteilung der am Porenöffnung befindeten Ionen.
Wenn ich allerdings erstmal von höheren Spanungniveu aus 2,7 V schnell enladen habe, habe ich hauptsächlich die Ladungsträger am Porenöffnungen losgelöst habe und da die Spannung eig. geringer wurde sodass ich bei der Selbstenladungsphase nach der vergleichmäßige Aufteilung eine Spannungsanstieg bekomme.
Warum brauchen wir bei der SuperCaps Ladungsausgliehcsysteme?
Da wie bei der LiIon Batteruien hier auch keine Gasung kommt, welche es bei der BleiBatterien der Fall ist, brauche ich Ladungsausgleichsysteme
Woher kommt das Ungleichgewicht?
Wozu ein Ladungsausgleich?
Die Asymetrie ist unerwüncht denn,
□ Unterschiedliche Selbstentladung
□ Unterschiedliche Kapazitäten
□ Schutz von Überspannung
□ Erhöhung der Lebensdauer
Wir wissen dass, Alterung bei 100mV Spannungserhöhung den Lebensdauer ungefähr halbiert.
Welche drei Typen an Ladungsausgleihcsysteme gibt es ?
3 Typen von Ausgleichsystemen
□ Passive Ausgleichsysteme
□ Gesteuerte Passive Ausgleichsysteme
□ Aktive Ausgleichsysteme
Welche Topologien, Vorteile und Nachteile hat eine Passive Ladungsausgleichsystem?
Topologien
Parallel Widerstände: Man hat bei diesen Ladungsausgleichsystemen nach einiger Zeit 0V.
Z Dioden : Hier würde die Spannung nicht auf 0 senken.
Vorteile
Preisgünstig
Einfache Herstellung
Nachteile
Langsam
Schlechter Wirkungsgrad
Relativ große Verluste
Temperaturabhängigkeit der Schwellspannung der Z Dioden
Fazit nicht gebräuchlich
Welche Topologien, Vorteile und Nachteile hat eine Aktive Ladungsausgleichsystem?
Aktiv steht dafür, dass man die Energie umverteilt!
Bekannte Topologien
□ Hoch-Tiefsetzsteller
□ Multiplexer und Kondensator
□ Galvanisch getrennten
Spannungsquellen
Vorteile
□ Umleitung der Energie
□ Hoher Wirkungsgrad
Nachteile
□ Komplizierte Steuerung
□ Zusätzliche Bauteile nötig
□ Relativ teuer
Welche Bestandteile, Vorteile und Nachteile hat eine gesteuerte Passive Ausgleichsysteme Ladungsausgleichsystem?
Es ist aktuell Stand der Technik. Passiv deswegen weil wir vernichten Energie, wo die die höhere Spannung gibt.
Bestandteile:
Komparator, Schalter und Bypass Widerstand
Vorteile
Einfach + kostengünstig
Nachteile
Langsamer Ausgleich (I<1)
Keine Temperaturkorrektur
Schlechter Wirkungsgrad
