Elektrochemische Energiespeicher: Superkondensatoren auf Basis neuer Materialien

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Christian Weber

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch „Superkondensatoren“ oder „Supercaps“ genannt, speichern elektrische Ladung in einer elektrochemischen Doppelschicht an der Elektroden-Elektrolytgrenzfläche. Sie besitzen das Potential als effiziente, kostengünstige und umweltfreundliche Kurzzeitenergiespeicher den Einsatz moderner Konzepte zum regenerativen Energieeinsatz, wie etwa Photovoltaiksysteme, zu ermöglichen und deren Leistungsfähigkeit deutlich zu verbessern.Im Vergleich zu Batterien haben Superkondensatoren deutlich kürzere Ladezeiten, die in der Größenordnung von Sekunden liegen. Zudem besitzen reine Doppelschichtkondensatoren sehr hohe Lebensdauern und können ohne merkliche Einbußen über nahezu beliebig viele Zyklen reproduzierbar geladen und entladen werden, während die Lebensdauer handelsüblicher Batterien dagegen auf einige tausend Zyklen beschränkt ist. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich derartige Speicherelemente besonders in Anwendungen mit hohen zeitlichen Fluktuationen und großen Energie- und Leistungsdichten, wie etwa bei Hybridautos oder zur Glättung von Leistungsspitzen bei Photovoltaikanlagen.Die Speicherkapazität und damit die Energiedichte reiner Doppelschichtkondensatoren sind allerdings beschränkt, da die zur Ladungsspeicherung benötigte Oberfläche nicht beliebig vergrößert werden kann. Ein Ansatz, die Ladungsspeicherung weiter zu verbessern ist die Verwendung von Hybridsystemen, die durch Einbringung von aktiven Materialien (Metalloxiden, Polymeren) durch einen Batterieeffekt aufgrund reversibler Redoxprozesse zusätzliche Ladung speichern können.Ziel des Promotionsvorhabens ist es deshalb, die Prozesse der Ladungsspeicherung in den nanoporösen Kohlenstoff-basierten Elektroden derartiger Hybridkondensatoren systematisch zu untersuchen und den Einfluss der mikroskopischen Kenngrößen zu quantifizieren. Um eine Leistungsverbesserung zu erzielen ist es notwendig, die limitierenden Prozesse der Ladungsspeicherung im Hybridkondensator und die bei den gegenwärtigen Ansätzen auftretende Degradation der Batteriekomponente zu verstehen.Zu Beginn des Projektes soll zunächst ein Referenzsystem als Standard für die weiteren Hybridelektroden aus Kohlenstoff-basierten Materialien und Metalloxid etabliert werden. In einem anschließenden Schritt wird der Einfluss unterschiedlicher Metalloxide, die in diese Elektroden eingebracht werden, strukturell und elektrochemisch analysiert. Die Ergebnisse werden anhand theoretischer Modellvorhersagen interpretiert und bewertet. Durch die Analyse der Daten werden Informationen zu den mikro- und mesoskopischen Prozessen der Ladungsspeicherung gewonnen und Strategien für weitere Optimierungsschritte entwickelt.

Förderzeitraum:
01.12.2009 - 30.11.2012

Institut:
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Lehrstuhl für Experimentelle Physik VI

Betreuer:
Prof. Jens Pflaum

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Elektrochemische Energiespeicher
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