Blog zum Thema Elektronik und Technik


Superkondensatoren als neue Stromspeicher

21.06.2017:

 

Smartphones oder andere tragbare Geräte innerhalb von wenigen Momenten aufladen und für lange Zeit mit Energie versorgen, das versprechen die neuen Superkondensatoren. Als Ersatz für Akkus oder Batterien stecken sie bereits in einigen praktischen Geräten des Alltags. So können sie beispielsweise Datenverluste den Speicherchips bei Stromausfall verhindern oder das Rücklicht eines Fahrrads beim Anhalten kurzzeitig mit Strom versorgen. Doch was unterscheidet eigentlich Superkondensatoren von herkömmlichen Akkus wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkus, die derzeit in den meisten tragbaren elektronischen Geräten für ausreichend Leistung sorgen?

Superkondensatoren und die Unterschiede zu normalen Akkus

Was ist ein großer Unterschied eines Superkondensators zu einem herkömmlichen Akku? Es heißt, dass Superkondensatoren nur einen geringen Teil der Energiedichte von der moderner Akkumulatoren besitzen, dafür aber eine um bis zu zehn- bis hundertfach größere Leistungsdichte. Aber was bedeutet dies? Mit einfachen Worten ausgedrückt können Superkondensatoren schneller aufgeladen und entladen werden als herkömmliche Akkus. Wie Sie wissen, benötigen Akkus eine gewisse Zeit, um vollständig aufgeladen zu werden. Sehr schnell können hier einige Stunden zusammenkommen. Dies kommt den Nutzern von Smartphones, Tabletts, Laptops und Co. nicht gerade entgegen. Außerdem sind die Ladezyklen bei Akkus begrenzt, was auch nicht gerade als Vorteil herkömmlicher Akkutechnologien angesehen werden kann. Superkondensatoren haben (noch) nicht die mittlerweile doch recht hohe Energiedichte herkömmlicher Akkus, das heißt, um die gleiche Kapazität wie ein moderner Akku bereitzustellen, müsste der Superkondensator wesentlich größer sein. Die Energiedichte bezeichnet nichts anderes als die Verteilung von in diesem Falle elektrischer Energie auf ein bestimmtes Volumen. Die eben erwähnte Leistungsdichte sorgt dafür, dass die Superkondensatoren mehr Schaltzyklen überstehen und sich daher besonders gut dort einsetzen lassen, wo sie häufig aufgeladen und wieder entladen werden müssen. Mit anderen Worten: Superkondensatoren eignen sich gut für die kurzfristige, dafür aber häufige Speicherung elektrischer Energie. Ihnen macht auch das hunderttausendmalige Tiefentladen und wieder Aufladen nichts aus, auch nicht mit hohen Strömen. Dafür besitzen sie eine im Vergleich zu anderen Akkutechnologien verhältnismäßig geringe Ladungsmenge bzw. Kapazität und sind deshalb für den Einsatz in mobilen Geräten derzeit noch zu (und zu teuer).

Superkondensatoren mit höherer Kapazität

Akku in einem Tablet
Akku in einem Tablet

Es wird bereits fleißig geforscht, wie mit neuen Materialien die Energiedichte der Superkondensatoren erhöht werden kann, um den Bauteilen den Einzug in tragbare Geräte zu ermöglichen. In der University of Central Florida wurden angeblich neue Superkondensatoren mit besonderen Eigenschaften entwickelt, die tragbare Geräte wie Smartphones eine ganze Woche lang mit Energie versorgen können und nur in wenigen Sekunden aufgeladen sind. Die Bauteile sollen selbst mehrere 10.000 Ladezyklen ohne Kapazitätsverluste überstehen. Das klingt fast zu schön, um wahr zu sein. Um einen Akku mit einer Kapazität von beispielsweise 2400 Milliamperestunden (mAh) in einer Stunde aufzuladen, ist ein Ladestrom von mindestens derselben Höhe notwendig. Wird die Ladezeit drastisch verkürzt, nämlich auf wenige Sekunden, so steigt der zum Aufladen des Superkondensators notwendige Ladestrom sehr schnell auf etliche Ampere an. Zum Aufladen eines Akkus mit einer heute üblichen Kapazität würde bei einer Ladezeit von wenigen Sekunden sehr schnell ein notwendiger Ladestrom anfallen, der 100 Ampere überschreiten kann. Es fragt sich nur, was für ein Ladegerät dafür notwendig wäre, diese Stromstärke zur Verfügung zu stellen und ob das Smartphone oder Tablet das überhaupt aushalten könnte.


Memristor – der Widerstand mit „Gedächtnis“

Speicherbausteine auf Platine
Speicherbausteine auf Platine

20.06.2017:

 

Das Wort Memristor ein sogenanntes Kofferwort, das sich aus den englischen Begriffen für Speicher (Memory) und Widerstand (Resistor) zusammensetzt. Der Memristor wird zu den sogenannten passiven Bauteilen gezählt, zu denen auch „normale“ Widerstände, Kondensatoren und Spulen gehören. Der Unterschied zu einem herkömmlichen Widerstand besteht darin, dass der Memristor keinen fest vorgegebenen Widerstandswert besitzt, sondern seinen Widerstand abhängig von der Höhe der angelegten Spannung und der Stromrichtung ändern kann. Der letzte Widerstandswert, den das Bauteil hatte, bleibt auch ohne zusätzliche Energiezufuhr erhalten, der Memristor merkt sich quasi den letzten Widerstandswert, woher er auch seine Bezeichnung hat.

Der Memristor ist keine neue Erfindung

Bereits im Jahre 1971 wurde der Memristor in einer wissenschaftlichen Arbeit von Leon Chua an der University of California in Berkeley mit seinen besonderen Eigenschaften beschrieben. Allerdings sollte es noch einige Jahrzehnte dauern, bis das Bauteil tatsächlich hergestellt werden konnte. Im Jahr 2000 gelang es dem Hersteller HP schließlich, erste Prototypen des Memristors herzustellen.

Zur Funktionsweise des Bauteils

Das von HP-Forschern entwickelte Bauteil besteht aus zwei Schichten Titandioxid, die sich zwischen Kontakten aus Platin befinden. Die beiden Schichten aus Titandioxid unterscheiden sich durch die Anzahl von Sauerstoffatomen. Eine der beiden Schichten besitzt von diesen weniger als die andere. Die Schicht mit der geringeren Anzahl von Sauerstoffatomen ist elektrisch besser leitend. Wird eine elektrische Spannung an das Bauteil angelegt, so wandern die Sauerstoff-Fehlstellen in die elektrisch weniger leitende Schicht, woraufhin diese besser leitend wird. Der Gesamtwiderstand des Bauteils verändert sich dadurch sehr stark. Allerdings funktioniert dies nur bis zu einem gewissen Punkt. Sind alle Fehlstellen in der ursprünglichen Isolatorschicht angekommen, ist das Bauteil übersteuert, und es findet keine weitere Veränderung des Widerstandswertes mehr statt. Das Interessante am Memristor ist die Tatsache, dass dieser Zustand auch nach Wegnehmen der Spannungsversorgung erhalten bleibt. Erst durch ein Umpolen der Stromversorgung kann der Zustand wieder umgekehrt werden, da die Sauerstoff-Fehlstellen durch das Ändern der Stromrichtung quasi wieder zurückwandern.

Memristoren als Speicherbausteine

Die eben genannten Eigenschaften eines Memristors legen seine Verwendung als Speicherelement nahe. Speicherbausteine mit Memristoren können mit einer weit geringeren Stromaufnahme als die herkömmlicher DRAM-Chips produziert werden. Allerdings erreichen die mit Memristoren hergestellten Speicherchips eine nur wesentlich geringere Geschwindigkeit.