Hybrid Supercap. Hybride Superkondensatoren durch innovative Materialkonzepte. Oskar Paris

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1 Hybrid Supercap Hybride Superkondensatoren durch innovative Materialkonzepte Oskar Paris Institut für Physik Montanuniversität Leoben

2 Hybrid Supercap Kooperatives Projekt der Grundlagenforschung Energieforschungsprogramm 1. Ausschreibung Laufzeit: Juni Juni 2018 Projektteam Institut für Physik, Montanuniversität Leoben (Oskar Paris) Fachbereich Chemie und Physik der Materialien, Paris- Lodron Universität Salzburg (Nicola Hüsing) Partner + Subauftragnehmer Institut für Neue Materialien, Saarbrücken (Volker Presser)

3 Elektrische Doppelschichtkondensatoren (Superkondensatoren / Ultrakondensatoren) Rein physikalische Ladunsspeicherung Schnell (hohe Leistungsdichte!) Stabil (hohe Zyklenzahlen) Simon & Gogotsi, Nature Mater. 7 (2008) 845 Béguin et al. Adv. Mater. 26 (2014) 2219

4 Anwendungsbereiche von Superkondensatoren E-Managment E-Mobilität Quelle: Luftseilbahnen Bremsenergie Rückgewinnung Notstromsysteme (z.b. in Flugzeugen, Windkraftanlagen, ) Energieautarke Straßenbeleuchtungen. Quelle: Nischenmarkt (240 M$ 2016; < 1% des Batteriemarktes) Aber deutliches Wachstum vorhergesagt, insbes. bei Green Technologies

5 Mikroporöser Kohlenstoff: Der Elektrodenwerkstoff der Wahl Quelle: Aktivkohlen(AC) Karbid-abgeleiteter Kohlenstoff (CDC) Carbon Onions Carbon Nanotubes Graphene Simon & Gogotsi, Nature Mater. 7 (2008) 845 Béguin et al. Adv. Mater. 26 (2014) 2219 Anomale Zunahme der oberflächenspezifischen Kapazität wenn (hydratisierte) Ionengröße Porengröße Chmiola, Gogotsi et al. Science 313 (2006) 1760

6 In-operando Röntgenstreuung Austrian SAXS- ELETTRA, Trieste, Italy Prehal et al., Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1725 oder Labor (Bruker AXS NanoStar) Electrochemische Methoden sind sensitiv auf die (Gesamt-) Ladung Röntgenstrahlen sind sensitiv auf die Elektronendichte: globale & lokale Ionenkonzentration

7 In-situ Röntgen-Transmission Bestimmung der globalen Ionenkonzentration ln c cat M cat cat c an M an an C d + Strom Idt q V e el c cat c an 1M wässriger Elektrolyt in Aktivkohle (YP-80) Ionenaustausch Prehal et al., Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1725

8 Lokale Ionenumlagerung Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) SAXS SAXS-Änderung Ungeladen Geladen Global ion swapping Lokal Umlagerung Prehal et al., Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1725

9 Wenn die Poren kleiner werden. Gaussian Random Fields: 3D Realraum Modelle von Aktivkohle aus SAXS Was heißt lokale Umlagerung? Wir brauchen: 1) bessere SAXS Modelle und/oder 2) bessere Modell-Kohlenstoffe Quelle:

10 Der Superkondensator Nanobaukasten Prehal et al. Nature Energy, 2017, 2, 16215

11 und was wir daraus lernen Spannung Prehal et al. Nature Energy, 2017, 2, Nacktes Ion Hydratisiertes Ion Cut-off - Degree of Confinement (DoC) - Degree of Desolvation (DoDS) Gegenionen bevorzugen Bereiche mit hohem DoC; dort wird die Ladung am effizientesten abgeschirmt! Dafür wird sogar ein Teil der Solvathülle abgestreift (DoDS steigt)!

12 Materialaspekte hoher DoC, d.h. nicht nur große OF sondern auch kleine & isolierte Poren. Prehal et al. Nature Energy, 2017, 2, Kriterien für optimale Porengeometrien! Aber: auch die Kinetik des Ionentransportes (und damit die Leistungsdichte) hängt von der Porengeometrie ab Entwicklung maßgeschneiderter neuer Elektrodenwerkstoffe!

13 Hierarchisch poröser Kohlenstoff 8 nm S. Rumswinkel & N. Hüsing (Univ. Salzburg) Mikroporöse Kohlenstoff- Nanodrähte

14 Specific Capacitance [F/g] Specific Capacitance [F/g] Hierarchisch poröser Kohlenstoff: Erste Performance Tests Specific Capacitance [mf/m 2 ] Gravimetrische Kapazität Oberflächenspezifische Kapazität YP80 C1603_act YP80 C1603_act 0 scan rate: 1 mv/s Potential vs. Carbon [V] 0-50 scan rate: 1 mv/s 50 YP80 C1603_act scan rate: 20 mv/s Potential vs. Carbon [V] Potential vs. Carbon [V] Referenzmaterial: YP-80F (Kuraray)

15 . und was ist mit Hybrid? Kondensatorartige Kohlenstoffanode Lithium-Ionen-Akku artigen Kathode Demonstration eines asymmetrischen Aufbaus am Beispiel einer Verbundkathode aus nanoskaligem Lithium-Titanat und hierarchischem Kohlenstoff Restliche Projektdauer (ca 1.5 Jahre)

16 Projektteam & Partner Montanuniversität Leoben, Institut für Physik Christian Prehal, Christian Koczwara, Oskar Paris Universität Salzburg, FB Chemie und Physik der Materialien Simon Rumswinkel, Michael Elsässer, Nicola Hüsing Leibniz Institut für Neue Materialien, Saarbrücken Nicolas Jäckel, Volker Presser Förderungen FFG KliEn Energieforschung FFG COMET K2 MPPE