Supercap für die Sensorik

Handscanner werden in unterschiedlichen Szenarien eingesetzt, die jeweils eigene Anforderungen an die Energieversorgung der Geräte stellen. Bei Einzelscans, wie sie häufig in Lagerbereichen oder bei der Inventarisierung vorkommen, benötigt der Handscanner nur für kurze Zeit hohe Spitzenleistung. Die Geräte werden oft in Ladestationen geparkt und müssen nach wenigen Sekunden wieder voll einsatzbereit sein. Hier ist es besonders wichtig, dass der Energiespeicher schnell lädt, um bei Bedarf sofort verfügbar zu sein. Anders sieht es aus, wenn ein Handscanner über lange Zeit hinweg betrieben werden soll. Im Schichtbetrieb in Lagerhäusern oder Produktionsumgebungen, in denen das Gerät über mehrere Stunden kontinuierlich arbeitet, ist die Betriebsdauer der entscheidende Faktor. Der Handscanner muss den gesamten Arbeitstag mit einer einzigen Ladung durchhalten, ohne regelmäßig nachgeladen werden zu müssen. In diesen Szenarien spielt die Energiedichte des Energiespeichers eine größere Rolle, weil eine konstante Stromversorgung über längere Zeiträume hinweg erforderlich ist.
In beiden Fällen ist die Energiespeichertechnologie entscheidend, da sie nicht nur die Leistung beeinflusst, sondern auch die Betriebsdauer und die Energieeffizienz des Geräts. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall können ein Supercap oder eine Batterie in Form eines Akkus die bestmögliche Lösung bieten.

Supercap versus Batterie

Supercap steht für Superkondensator, mitunter auch als Ultrakondensator bezeichnet. Ein Supercap ist ein elektrischer Energiespeicher, der sich durch seine besonders schnelle Lade- und Entladefähigkeit auszeichnet. Er speichert Energie hauptsächlich elektrostatisch, also durch die Trennung elektrischer Ladungen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Im Gegensatz dazu speichern Batterien Energie elektrochemisch, also über chemische Reaktionen in der Zellchemie. Wesentlicher Vorteil eines Supercaps: Er lässt sich innerhalb von Sekunden vollständig aufladen und stellt kurzfristig sehr hohe Leistungen zur Verfügung. Damit eignet sich die Technologie optimal für Anwendungen, bei denen kurzfristige Energiebedarfe abgedeckt werden müssen, oder zur Überbrückung von Stromausfällen.

Die Energiedichte eines Supercap ist im Vergleich zu Batterien zwar geringer, dafür lässt er sich jedoch mehr als eine Million Mal laden. Eine herkömmliche Batterie hält nur bis zu rund 2000 Ladezyklen. Und seine Lebensdauer ist mit bis zu 15 Jahren ein Vielfaches länger als die einer Lithium-Ionen-Batterie. Damit bieten Supercaps eine zuverlässige, wartungsarme und umweltfreundliche Lösung für vielfältige industrielle Anforderungen – insbesondere dort, wo Schnelligkeit und Verfügbarkeit gefragt sind.

Arten von Supercaps

Supercaps lassen sich hinsichtlich Speichermethoden, verwendeter Materialien und ihrer technischen Eigenschaften in verschiedene Typen unterscheiden. In industriellen Anwendungen – insbesondere bei mobilen Geräten wie Handscannern – dominiert der sogenannte EDLC-Typ (Elektrochemischer Doppelschichtkondensator). Er vereint eine besonders hohe Zyklenfestigkeit, kurze Ladezeiten und eine robuste Bauweise. Weniger verbreitet ist der Pseudokondensator.

Eigenschaften des EDLC (Elektrochemischer Doppelschichtkondensator)

• Speichert Energie rein elektrostatisch, ohne chemische Reaktionen
• Verwendet aktivierte Kohlenstoffelektroden
• Sehr hohe Zyklenfestigkeit (>1 Million Zyklen)
• Kurze Ladezeit, robust und langlebig
• Standardtyp in Industrie und Mobilgeräten

Eigenschaften des Pseudokondensators

• Zusätzlich zur Doppelschicht: Redoxreaktionen an der Elektrode
• Höhere Energiedichte, aber geringere Zyklenfestigkeit
• Elektroden beispielsweise aus Metalloxiden oder leitfähigen Polymeren
• Teurer und empfindlicher
• Einsatz zumeist in Spezial- oder Forschungsanwendungen

Aufbau eines EDLC-Supercaps

Dieter Eßlinger ist verantwortlich für Product Launches & Sales Coordination bei Leuze electronic. © Leuze

Im Wesentlichen besteht ein EDLC-Supercap aus zwei hochporösen Elektroden, oft aus Aktivkohle. Diese Elektroden sind durch einen Separator voneinander getrennt und in einen leitfähigen Elektrolyten eingebettet. Beim Anlegen einer Spannung bildet sich an der Grenzfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt eine sogenannte elektrische Doppelschicht. Dabei lagern sich positive und negative Ladungen gegenüberliegend an – ganz ohne chemische Reaktion. Die Doppelschicht bildet die Grundlage der Energiespeicherung. Diese Supercaps werden deshalb auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Stromableiter führen die Energie von den Elektroden nach außen. Ein dicht verschlossenes Gehäuse, meist aus Aluminium oder Kunststoff, schützt die Zelle vor Umwelteinflüssen.

Üblicherweise beträgt die Nennspannung einer Supercap-Zelle zwischen 2,3 und 2,7 V. In kompakten Industriebauteilen wie Handscannern kommen in der Regel Zellen mit 2,7 V Nennspannung und einer Kapazität von 5 bis 50 Farad zum Einsatz. Ein Farad gibt an, wie viel elektrische Ladung ein Kondensator pro Volt speichern kann – je höher der Wert, desto mehr Energie steht kurzfristig zur Verfügung. Diese Baugrößen bieten ein optimales Verhältnis aus Speichermenge, Bauvolumen und Gewicht. Sie ermöglichen es, kurzfristige Leistungsspitzen zuverlässig abzufangen – etwa beim Auslösen eines Scanvorgangs oder beim Senden von Daten.

Blitzschnell aufgeladen

Bei Mehrzweck-Handscannern für die Barcodeerfassung kommt es auf kurze, aber leistungsintensive Einsätze an. Die Supercap-Technologie liefert den Scannern ausreichend Energie für mehrere Sekunden bis wenige Minuten. Die Geräte sind innerhalb kürzester Zeit wieder aufgeladen. Handscanner mit Supercap eignen sich so insbesondere für Anwendungen mit regelmäßigen Einzelscans. Leuze macht sich das mit den kabellosen Supercap-Geräten der Serie ‚IT 1960‘ zunutze. Weil kein Akku erforderlich ist, sind die Geräte sehr leicht: Ein Supercap-Handscanner der Serie IT 1960 bringt beispielsweise nur 220 g auf die Waage. Dies ist ein spürbarer ergonomischer Vorteil und erleichtert die Handhabung im täglichen Einsatz. Fallen hingegen viele Scanvorgänge in kurzer Zeit an, sind Geräte mit Akku oder Kabel empfehlenswert. Auch hierfür hat Leuze mit der Serie IT 1960 passende Varianten im Portfolio.

Deutlich robuster als Batterien

Supercaps punkten nicht nur durch ihre schnelle Ladefähigkeit: Sie sind auch besonders robust gegenüber Umwelteinflüssen. Typische Supercaps arbeiten zuverlässig selbst bei zweistelligen Minusgraden, ohne dass ihre Leistungsfähigkeit merklich nachlässt. Lithium-Ionen-Akkus hingegen reagieren deutlich empfindlicher auf Kälte. Hinzu kommt, dass Supercaps als elektrische Kondensatoren nicht von der neuen EU-Batterieverordnung (2023/1542) betroffen sind. Diese legt klare Anforderungen an das Inverkehrbringen, die Nutzung und das Recycling von Batterien in der EU fest. Während Batterien häufig gewartet oder ersetzt und dann fachgerecht entsorgt werden müssen, können Supercaps in der Regel dauerhaft im Gerät verbleiben. Dies ist selbst bei Betriebszeiten von bis zu 15 Jahren der Fall.

Für Unternehmen mit nachhaltigkeitsorientierten Beschaffungsstrategien sind Supercaps noch aus einem weiteren Grund attraktiv: Sie enthalten keine kritischen Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt.

Effiziente Alternative

Die Supercap-Technologie ersetzt Batterien nicht grundsätzlich, ist aber bei bestimmten Anwendungen die effizientere Alternative. Leuze nutzt diese Technologie deshalb gezielt für Lösungen wie Mehrzweck-Handscanner. Ein extrem schneller Ladevorgang in wenigen Sekunden, die deutlich höhere Zahl an Ladezyklen und das geringe Gewicht erleichtern die Handhabung. Nicht zuletzt profitieren Anlagenbetreiber von einem Preisvorteil im Vergleich zu akkubetriebenen Geräten.