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

Kohlenstoffaerogelelektroden für elektrochemische

Doppelschichtkondensatoren auf Basis von Resorzin-Formaldehyd Sedimenten

Volker LorrmannDPG Frühjahrstagung Hamburg

02. März 2009

Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3


Übersicht Energiespeicher

Hohe Leistungsdichte/KapazitätSehr hohe Lebensdauer von bis

zu 500000 Ladezyklen

Kleine Betriebsspannung (~ 2,5 V)Geringe Energiedichte



Übersicht Energiespeicher


Einsatzgebiete: Hybridsystem mit Akku

Verbesserte Lebensdauer Akku kann kleiner dimensioniert werden Verbesserter Gesamtwirkungsgrad


Kurzzeitspeicher Stromausfälle Abfangen von Leistungsspitzen


Prinzip

C 0 A d

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 erreichtC = 100 – 200 F/g



Prinzip

C 0 A d

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 erreichtC = 100 – 200 F/g



Synthese von Kohelstoff-Aerogel

Katalysatorkonzentration beeinflusst hauptsächlich die Partikelgröße

Eduktkonzentration beeinflusst maßgeblich die Dichte


Nasschemische Synthese des organischen Resorzin-Formaldehyd Gels

Pyrolyse bei 850°C liefert Kohlenstoffaerogel


REM Aufnahmen

Partikelgröße in einem weitem Bereich einstellbar

Sedimentstruktur zeigt Aggregate bzw. einzelne sphärische Partikel



Mikrostruktur

Probedpartikel

[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 0,71

910 36 118 746 628 0,25 0,68

1825 39 109 726 617 0,25 0,69

1820 39 108 732 624 0,25 0,68

1520 54 80 757 677 0,27 0,60

1215 55 79 761 682 0,27 0,61

1210 78 56 745 689 0,27 0,61

1515 86 50 724 674 0,27 0,59

1510 146 30 728 698 0,27 0,56

1815 178 25 746 721 0,28 0,54

Gassorption stellt Standardverfahrenzur Strukturbestimmung poröser Materialien dar.



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



Zyklische Voltammetrie

U

dtIC

dtdUI

Cdiff

Konstanter Spannungsanstieg


Stromantwort

Idealer Kondensator:Rechteck

Real:Abflachen wegen

Ladewiderstand


CV-Diagramm zeigt kapazitives Verhalten der Elektroden mit annähernd rechteckigem Verlauf

Hohe differentielle spezifische Kapazitäten Verläufe und Kapazität ähnlich

Ergebnisse

ProbeCspez

[F/g]Cdl

[μF/cm2]

710 116 0.15

910 121 0.16

915 119 0.16

1210 118 0.16

1215 117 0.15

1220 125 0.16

1510 113 0.16

1515 117 0.16

1520 117 0.15

1815 114 0.15

1820 130 0.18

1825 130 0.18

1550* 97 ---

*H. Lorrmann, Entwicklung elektrochemischer Energiespeicher Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffaerogelen, Diplomarbeit, 2007


Ergebnisse

Mit steigender Scanrate: Starke Abweichung vom idealen Kondensator Ladewiderstand steigt Starke Abnahme der Kapazität



Ergebnisse

C Cmic Smic Cmes SextC /Sext Cmic Smic /Sext Cmes

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



Ergebnisse

Leitfähigkeit verbessern: Partikel vergrößern Intrinsische Leitfähigkeit des

Kohlenstoffs erhöhen Leitfähige Additive Elektroden verdichten

Leitfähigkeit skaliert linear mit Sext

Niedrige Leitfähigkeit (Vergleich Monolith: 10 -25 S/cm)



Zusammenfassung

Binderelektroden mechanisch sehr stabil und flexibel

Partikelgröße der Sedimente ist in einem weiten Bereich einstellbarMesoporen 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)



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