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© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Kohlenstoffaerogelelektroden für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren.

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Präsentation zum Thema: "© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Kohlenstoffaerogelelektroden für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren."—  Präsentation transkript:

1 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Kohlenstoffaerogelelektroden für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren auf Basis von Resorzin-Formaldehyd Sedimenten Volker Lorrmann DPG Frühjahrstagung Hamburg 02. März 2009 Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

2 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Gliederung Einleitung – Was sind Supercaps? Vergleich mit anderen Energiespeichern Typische Zahlen Einsatzbereiche – Funktionsweise – Kohlenstoffaerogele Synthese Unterschied Monolith/Sediment – Messmethoden CV EIS Ergebnisse – REM Sedimente Monolith – Gassorption BET t - Plot Partikelgröße – Elektrochemie CV EIS

3 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Übersicht Energiespeicher

4 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Übersicht Energiespeicher Hohe Leistungsdichte/Kapazität Sehr hohe Lebensdauer von bis zu Ladezyklen Kleine Betriebsspannung ( ~ 2,5 V) Geringe Energiedichte Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

5 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Übersicht Energiespeicher Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3 Einsatzgebiete: Hybridsystem mit Akku Verbesserte Lebensdauer Akku kann kleiner dimensioniert werden Verbesserter Gesamtwirkungsgrad Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3 Kurzzeitspeicher Stromausfälle Abfangen von Leistungsspitzen

6 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Prinzip Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

7 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Prinzip Elektroden mit großer spez. Oberfläche ( m 2 /g) Elektroden mit Elektrolyt füllen Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht mit einer Dicke von 5 – 10 Å Sehr hohe Kapazitäten werden erreicht C = 100 – 200 F/g Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

8 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Prinzip Elektroden mit großer spez. Oberfläche ( m 2 /g) Elektroden mit Elektrolyt füllen (ε 80) Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht mit einer Dicke von 5 – 10 Å Sehr hohe Kapazitäten werden erreicht C = 100 – 200 F/g Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

9 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Synthese von Kohelstoff-Aerogel Katalysatorkonzentration beeinflusst hauptsächlich die Partikelgröße Eduktkonzentration beeinflusst maßgeblich die Dichte Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3 Nasschemische Synthese des organischen Resorzin-Formaldehyd Gels Pyrolyse bei 850°C liefert Kohlenstoffaerogel

10 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 REM Aufnahmen Partikelgröße in einem weitem Bereich einstellbar Sedimentstruktur zeigt Aggregate bzw. einzelne sphärische Partikel Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

11 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Mikrostruktur Probe d partikel [nm] S ext [m 2 /g] S bet [m 2 /g] S mic [m 2 /g] V mic [cm 3 /g] d mic [nm] ,230, ,240, ,250, ,250, ,250, ,250, ,270, ,270, ,270, ,270, ,270, ,280,54 Gassorption stellt Standardverfahren zur Strukturbestimmung poröser Materialien dar. Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

12 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Vom Pulver zur Elektrode Kohlenstoff Pulver in Kugelmühle mahlen Pulver mit Additiv ( m-%) zur Verbesserung der Leitfähigkeit in Wasser dispergieren Binder (3 – 8 m-%) hinzugeben Wasser absaugen Erhaltene Masse kneten und zu Folien walzen Sehr hohe mechanische Stabilität im Vergleich zum Monolithen Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

13 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Zyklische Voltammetrie Konstanter Spannungsanstieg Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3 Stromantwort Idealer Kondensator: Rechteck Real: Abflachen wegen Ladewiderstand

14 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 CV-Diagramm zeigt kapazitives Verhalten der Elektroden mit annähernd rechteckigem Verlauf Hohe differentielle spezifische Kapazitäten Verläufe und Kapazität ähnlich Ergebnisse Probe C spez [F/g] C dl [μF/cm 2 ] * * H. Lorrmann, Entwicklung elektrochemischer Energiespeicher Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffaerogelen, Diplomarbeit, 2007

15 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Ergebnisse Mit steigender Scanrate: Starke Abweichung vom idealen Kondensator Ladewiderstand steigt Starke Abnahme der Kapazität Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

16 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Ergebnisse Scanrate [mV/s] C meso [F/m 2 ] C mic [F/m 2 ] C mes / C mic Spezifische Kapazität der Mesoporen höher Stärkere Abnahme der Mikroporenkapazität mit steigender Scanrate Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

17 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Ergebnisse Leitfähigkeit verbessern: Partikel vergrößern Intrinsische Leitfähigkeit des Kohlenstoffs erhöhen Leitfähige Additive Elektroden verdichten Leitfähigkeit skaliert linear mit S ext Niedrige Leitfähigkeit (Vergleich Monolith: S/cm) Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

18 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Zusammenfassung Binderelektroden mechanisch sehr stabil und flexibel Partikelgröße der Sedimente ist in einem weiten Bereich einstellbar Mesoporen und Leitfähigkeit können gezielt beeinflusst werden Binderelektroden auf Basis der Sedimente zeigen hohe spezifische Kapazitäten Ladeverhalten muss optimiert werden: Leitfähigkeit der Elektroden erhöhen Zugänglichkeit der Mikroporen verbessern (Aktivierung) Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

19 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!! Fragen?

20 © Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008


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