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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
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
Übersicht Energiespeicher
Hohe Leistungsdichte/KapazitätSehr hohe Lebensdauer von bis
zu 500000 Ladezyklen
Kleine Betriebsspannung (~ 2,5 V)Geringe Energiedichte
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© 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
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
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
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
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
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© 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
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REM Aufnahmen
Partikelgröße in einem weitem Bereich einstellbar
Sedimentstruktur zeigt Aggregate bzw. einzelne sphärische Partikel
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
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.
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© 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 (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
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
Zyklische Voltammetrie
U
dtIC
dtdUI
Cdiff
Konstanter Spannungsanstieg
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
Stromantwort
Idealer Kondensator:Rechteck
Real:Abflachen wegen
Ladewiderstand
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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
© 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
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
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
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© 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 Sext
Niedrige Leitfähigkeit (Vergleich Monolith: 10 -25 S/cm)
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© 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 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)
Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.Porotec Workshop, Bad Soden 11/ 2008
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!
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