Ladungsvorgänge im Ultracap

[KlausM]

Hallo Leute,

ich hätte mal ein paar grundlegende Fragen zu den Lade und Entladevorgängen in Kondensatoren.
Bzw. wo liegt der genaue Unterschied zwischen Kondensatoren, Akkus und Ultracaps?
Wenn ich an einen Kondensator eine Gleichspannung anlege, dann hat der in wenigen ms...sec den Spannungswert aufgenommen. Bei einem Akku dauert dies ja mehrere Stunden. Ich nehm mal an das liegt in den jeweiligen Speichervorgängen. Beim Kondensator ja elektrostatisch und bei einem Akku elektrochemisch. Wie funkitoniert das aber bei einem Ultracap?
Wie lange dauert es bis ein Ultracap die Ladung gespeichert hat und über welchen Zeitraum kann er diese wieder abgebene?
Auch die Begriffe Leistungsdichte und Energiedichte sind mir noch ein wenig rätzelhaft.

Für ein paar wesentliche Statements zu den jeweiligen Speichermedien in Bezug auf ihre Ladevorgänge (begrenzt durch.., Zyklen,...usw. ) wäre ich sehr dankbar

Viele Grüße Klaus

[anders]

Die elektrochemischen Vorgänge im Akkumulator führen betriebsmäßig zu einer stofflichen Veränderung des Elektrodenmaterials.
Dabei treten i.d.R. Volumenänderungen ein, die über kurz oder lang zum Zerfall der Elektroden führen und so nach etlichen Ladezyklen die Lebensdauer begrenzen.

Das ist bei Kondensatoren nicht der Fall und somit ist deren Lebendauer nicht dadurch begrenzt.
Es können aber andere Mechanismen wirken, beim Elko etwa Verdunstung des Elektrolyten durch die Stromwärme, die eine endliche Lebendauer bewirken.

Ausserdem gibt es einen anderen wesentlichen Unterschied zwischen der Energiespeicherung durch Akkus und Kondensatoren:
Ein Kondensator ändert prinzipiell beim Laden und Entladen seine Spannung, während das beim Akkumulator nicht unbedingt und wenn, dann i.d.R. nur in relativ geringem Maß der Fall ist.

Die mögliche Lade- und Entladegeschwindigkeit hängt beim Kondensator fast nur von der Strombelastbarkeit der Zuleitungen ab.
Bei Elektrolytkondensatoren und den von dir erwähnten Doppelschichtkondensatoren ist die Zuleitung der Elektrolyt, der, verglichen mit Metallen, sehr schlecht leitet und bei hohen Strömen viel Wärme entwickelt.
Deshalb kann man Keramische- oder Folienkondensatoren in Nanosekunden und noch schneller laden und emtladen, Elkos benötigen Mikroekunden bis Millisekunden, während Doppelschichtkondensatoren eher im Zehntelsekundenbereich und darüber angesiedelt sind.

Bei Akkus hängt die mögliche Lade- und Entladegschwindigkeit vom Typ ab.
Bei Bleiakkus entsteht z.B. bei der Entladung an den Elektroden Wasser, welches einerseits die Leitfähigkeit der Säure herabsetzt und andererseits den Zutritt der benötigten Sulfationen behindert.
Dadurch sind Lade- und Entladegeschwindigkeit hier durch Diffusionsvorgänge begrenzt.
Bei Li-Ion Akkus sind es die Lithium-Ionen, die relativ langsam durch den Elektrolyten wandern, bis sie an den Elektroden reagieren können.
Bei NiCd-Akkus hingegen ändert sich die Zusammensetzung des Elektrolyten nicht und so kann man diese sogar in einigen Sekunden weitgehend laden oder entladen.

Wie funkitoniert das aber bei einem Ultracap?

Schau mal hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroche ... pelschicht

[KlausM]

Wow...das nenn ich mal eine super Antwort. Vielen Dank dafür!!!
Jetzt ist mir zumindest mal der wesentliche Unterschied klar geworden zwischen Akkumulatoren und Kondensatoren.
Könnte ich das so folglich so interpretieren, dass man Akkus dann verwendet, wenn es darum geht hohe Energiedichten bereit zu stellen und Kondensatoren für schnelle Leistungsabgabe?

ich hätte noch eine kleine Anfängerfrage (da ich ja im Newbieforum bin darf ich das ):
Wodurch ist ein Kondensator in seinen Ladeeigenschaften begrenzt?
Ich würde jetzt mal ganz spontan sagen..in seiner Kapazität.
Wie sieht das dann im Bezug auf Spannung aus? Kann ich den (übertrieben gesagt) unendlich aufladen?
An einem Kondensator kann doch maximal nur die Spannung anliegen, welche am EIngang bereit gestellt wird.
Könnte ich an einem 1nF Kondensator eine Spannung von 1000Volt anlegen?
Mal eine Beispielrechnung falls das gehen sollte:
Ich habe einen C mit 1nF und lege U mit 1000Volt an.
Laut Q=C*U hätte der Kondenstor doch dann eine Ladung von 1uC
Wenn P=u*I ist und I gleich dQ/dt, dann wäre P=1000V * 1uC/1sec =1mW Leistung in einer Sekunde.
Also könnte mein Kondensator eine Leistung von 1mW in einer sec liefern.
Ist diese Rechnung richtig?

[anders]

Wodurch ist ein Kondensator in seinen Ladeeigenschaften begrenzt?
Ich würde jetzt mal ganz spontan sagen..in seiner Kapazität.

Die Kapazität ist eine Kenngrösse des Kondensators, aber sein Energiespeichervermögen wird auch durch die maximal mögliche Spannung begrenzt.
Bei den Doppelschicht Kondensatoren tritt beim Überschreiten der zulässigen Spannung Elektrolyse ein, durch die der Kondensator zerstört wird.

Bei zu hoher Spannung entstehen enorme Feldstärken im Dielektrikum (Größenordnung 10..>100kV/mm), durch die letztlich dann ein Überschlag und ein Loch im Dielektrikum entsteht.
Ausser bei Kondensatoren mit Luft oder Vakuum als Dielektrikum bedeutet das i.d.R. die Zerstörung des Kondensators.
Aber es gibt Ausnahmen:
Aluminium Elkos reagieren bei vorsichtigem Anlegen von Überspannung oft, indem die als Dielektrikum dienende Oxidschicht weiterwächst.
Dadurch steigt die nutzbare Spannung, während wegen des dickeren Dielektrikums gleichzeitig die Kapazität sinkt.
Das klappt aber nicht immer und man muss dabei recht behutsam vorgehen, damit die Wärmeentwicklung nicht zu gross wird und der gebildete Wasserstoff entweichen kann ohne das Gehäuse zu sprengen.
Eine weitere Ausnahme sind die selbstheilenden Kondensatoren, bei denen die extrem dünne, auf das Dielektrikum aufgedampfte, Metallschicht durch den Funken beim Durchschlag explosionsartig verdampft.
Dadurch bildet sich um den Fehler im Dielektrikum ein isolierender Hof und der Kondensator kann, mit etwas geringerer Kapazität, weiter benutzt werden.

Könnte ich an einem 1nF Kondensator eine Spannung von 1000Volt anlegen?

Wenn er dafür gebaut ist: Ja.
Ein winziger SMD-Kondensator mit einer Nennspannung von vielleicht 10V, wie er etwa in Handys Verwendung findet, wird das aber wohl nicht überleben.

Die im Kondensator gespeicherte Energie ist 0,5*C*U*U somit würde in deinem Beispiel eine Enegie von 0,5mJ gespeichert.
Eine Sekunde lang könnte der also theoretisch 0,5mW liefern.
Interessant aber wird es, wenn der Kondensator in 0,1µs entladen wird. Das ist nicht allzu schwierig - man muss ihn nur kurzschliessen. Dann liefert dieser Kondensator nämlich 5kW !
Dementsprechend gibt es bei diesem Experiment auch schon ein beachtliches "Patsch" und die Schraubenzieherklinge bekommt einen Brandfleck.

P.S.:

Wenn P=u*I ist und I gleich dQ/dt, dann wäre P=1000V * 1uC/1sec =1mW Leistung in einer Sekunde.

Diese Rechnung stimmt nicht, weil ja die Spannung während der Entladung abnimmt. Korrektes Ergebnis: s.o.

[KlausM]

Ok das hab ich dann soweit alles verstanden. Besten Dank dafür nochmal.
Eine Frage hätte ich noch bzgl. der Ladevorgänge. Und zwar ist der Auflade bzw der Entladevorgang bei einem normalen Plattenkondensator linear und wenn ja, warum?
Von welchen Größen hängen die Ladeprozesse genau ab?

Viele Grüße

[anders]

Und zwar ist der Auflade bzw der Entladevorgang bei einem normalen Plattenkondensator linear und wenn ja, warum?

Was meinst du denn mit "linear" ?

Oft ist die Kapazität eines Kondensators konstant, dann ist die Spannung proportional zur Ladungsmenge.
Es gibt aber auch Dielektrika, vor allem bei keramischen Kondensatoren, bei denen sich die Dielektrizätskonstante mit der Spannung und der Temperatur ziemlich stark ändert, und die darüber hinaus auch noch Hysterese aufweisen.