DPG Frühjahrstagung Hamburg 27.02.09 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

Gliederung Einleitung Was sind Supercaps? Funktionsweise 27.02.09 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

Übersicht Energiespeicher 27.02.09 Übersicht Energiespeicher

Übersicht Energiespeicher 27.02.09 Übersicht Energiespeicher Hohe Leistungsdichte/Kapazität Sehr hohe Lebensdauer von bis zu 500000 Ladezyklen Kleine Betriebsspannung (~ 2,5 V) Geringe Energiedichte Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

Übersicht Energiespeicher 27.02.09 Übersicht Energiespeicher 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 Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

27.02.09 Prinzip Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

Prinzip Elektroden mit großer spez. Oberfläche (- 2000 m2/g) 27.02.09 Prinzip Elektroden mit großer spez. Oberfläche (- 2000 m2/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

Prinzip Elektroden mit großer spez. Oberfläche (- 2000 m2/g) 27.02.09 Prinzip Elektroden mit großer spez. Oberfläche (- 2000 m2/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

Synthese von Kohelstoff-Aerogel 27.02.09 Synthese von Kohelstoff-Aerogel Nasschemische Synthese des organischen Resorzin-Formaldehyd Gels Pyrolyse bei 850°C liefert Kohlenstoffaerogel Katalysatorkonzentration beeinflusst hauptsächlich die Partikelgröße Eduktkonzentration beeinflusst maßgeblich die Dichte Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

27.02.09 REM Aufnahmen Sedimentstruktur zeigt Aggregate bzw. einzelne sphärische Partikel Partikelgröße in einem weitem Bereich einstellbar Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3 10

Mikrostruktur Gassorption stellt Standardverfahren 27.02.09 Mikrostruktur Gassorption stellt Standardverfahren zur Strukturbestimmung poröser Materialien dar. Probe dpartikel [nm] Sext [m2/g] Sbet [m2/g] Smic [m2/g] Vmic [cm3/g] dmic [nm] 710 21 193 759 566 0,23 0,76 915 27 155 754 599 0,24 0,71 1220 32 133 760 627 0,25 910 36 118 746 628 0,68 1825 39 109 726 617 0,69 1820 108 732 624 1520 54 80 757 677 0,27 0,60 1215 55 79 761 682 0,61 1210 78 56 745 689 1515 86 50 724 674 0,59 1510 146 30 728 698 0,56 1815 178 25 721 0,28 0,54 Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

Vom Pulver zur Elektrode Kohlenstoff Pulver in Kugelmühle mahlen Pulver mit Additiv (5 - 10 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

Zyklische Voltammetrie 27.02.09 Zyklische Voltammetrie Konstanter Spannungsanstieg Stromantwort Idealer Kondensator: Rechteck Real: Abflachen wegen Ladewiderstand Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

27.02.09 Ergebnisse Probe Cspez [F/g] Cdl [μF/cm2] 710 116 0.15 910 121 0.16 915 119 1210 118 1215 117 1220 125 1510 113 1515 1520 1815 114 1820 130 0.18 1825 1550* 97 --- CV-Diagramm zeigt kapazitives Verhalten der Elektroden mit annähernd rechteckigem Verlauf Hohe differentielle spezifische Kapazitäten Verläufe und Kapazität ähnlich *H. Lorrmann, Entwicklung elektrochemischer Energiespeicher Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffaerogelen, Diplomarbeit, 2007

Ergebnisse Mit steigender Scanrate: 27.02.09 Ergebnisse Mit steigender Scanrate: Starke Abweichung vom idealen Kondensator Ladewiderstand steigt Starke Abnahme der Kapazität Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

Ergebnisse Spezifische Kapazität der Mesoporen höher 27.02.09 Ergebnisse Scanrate [mV/s] Cmeso [F/m2] Cmic [F/m2] Cmes/Cmic 2 0.234 0.151 1.53 5 0.164 0.133 1.23 10 0.113 0.097 1.10 25 0.090 0.046 1.8 50 0.067 0.025 3.5 100 0.043 0.013 4.0 Spezifische Kapazität der Mesoporen höher Stärkere Abnahme der Mikroporenkapazität mit steigender Scanrate Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

Ergebnisse Leitfähigkeit skaliert linear mit Sext 27.02.09 Ergebnisse Leitfähigkeit skaliert linear mit Sext Niedrige Leitfähigkeit (Vergleich Monolith: 10 -25 S/cm) Leitfähigkeit verbessern: Partikel vergrößern Intrinsische Leitfähigkeit des Kohlenstoffs erhöhen Leitfähige Additive Elektroden verdichten Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

Zusammenfassung Binderelektroden mechanisch sehr stabil und flexibel 27.02.09 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

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