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Kohlenstoffaerogelelektroden für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren auf Basis von Resorzin-Formaldehyd Sediment

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.

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Kohlenstoffaerogelelektroden für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren auf Basis von Resorzin-Formaldehyd Sediment

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

  3. Übersicht Energiespeicher Einsatzgebiete: • Kurzzeitspeicher • Stromausfälle • Abfangen von Leistungsspitzen • Hybridsystem mit Akku • Verbesserte Lebensdauer • Akku kann kleiner dimensioniert werden • Verbesserter Gesamtwirkungsgrad Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3 Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

  4. 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 erreichtC = 100 – 200 F/g Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

  5. 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 erreichtC = 100 – 200 F/g Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

  6. 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

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

  8. Mikrostruktur Gassorption stellt Standardverfahren zur Strukturbestimmung poröser Materialien dar. Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

  9. 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

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

  11. CV-Diagramm zeigt kapazitives Verhalten der Elektroden mit annähernd rechteckigem Verlauf • Hohe differentielle spezifische Kapazitäten • Verläufe und Kapazität ähnlich Ergebnisse *H. Lorrmann, Entwicklung elektrochemischer Energiespeicher Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffaerogelen, Diplomarbeit, 2007

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

  13. Ergebnisse • Spezifische Kapazität der Mesoporen höher • Stärkere Abnahme der Mikroporenkapazität mit steigender Scanrate Volker Lorrmann, DPG Frühjahrstagung Hamburg, AKE 2.3

  14. 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

  15. 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

  16. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!! Fragen?

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