Superkondensatoren

Im Arbeitsgebiet »Superkondensatoren« forschen wir an der Charakterisierung von Batterie-Materialien sowie an Optimierungsmethoden im Hinblick auf Elektroden- und Batteriezellfertigung.

Elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) basieren auf Kohlenstoff/Kohlenstoff-Elektroden und haben die Eigenschaft, sehr schnell (innerhalb von Sekunden) geladen und entladen zu werden. Sie können daher dort eingesetzt werden, wo hohe Leistungen erforderlich sind. Trotz der hohen Leistung haben die Superkondensatoren eine begrenzte Energiedichte.

Eine Strategie zur Erhöhung der Energiedichte ist die Entwicklung eines Hybridsystems. Dabei wird eine kapazitive Elektrode (z.B. Aktivkohle) mit einer faradischen Elektrode (z.B. Graphit, welches auch in Batterien verwendet wird) kombiniert.

Zu diesen Hybridsystemen gehören:

• Lithium-Ionen-Kondensatoren – auch asymmetrische Kondensatoren oder Superkondensatoren genannt – basieren auf einer faradischen negativen Elektrode mit Aktivmaterialien wie Graphit oder Li₂Ti₅O₄ und einer kapazitiven positiven Elektrode aus Aktivkohle (Doppelschicht-Elektrode). Superkondensatoren mit der oben genannten Zusammensetzung sind bereits kommerziell erhältlich.
• Natrium-Ionen-Kondensatoren, bei denen die Faradaic-Elektrode typischerweise aus Hart Carbons besteht. Sie können als die nächste Generation von nachhaltigeren Hochleistungs-Energiespeichern angesehen werden.

Im Gegensatz zu Lithium- oder Natrium-Ionen-Batterien enthalten Superkondensatoren keine Lithium- oder Natrium-Ionen in der positiven Elektrode, weshalb Strategien zur Prä-Lithiierung bzw. Prä-Sodiierung in Betracht gezogen werden müssen.

Unsere FuE-Leistungen zum Thema »Superkondensatoren« umfassen:

• Charakterisierung von Materialien und Komponenten sowie Leistungsbewertung in einer EDLC-Konfiguration in Zellen im Labormaßstab
• Optimierung der Elektrodenrezeptur durch wässrige und trockene Elektrodenherstellung
• Untersuchung asymmetrischer Konfigurationen (Li, -Na-, aber auch K-Ionen-Kondensatoren) mittels Massenbilanzierung und Prä-Metallisierungs-Strategien
• Skalierung der Elektrodenherstellung und Analyse in Pouch-Zellen

Für die Bewertung von Elektroden und Zellkomponenten (z. B. Aktivkohle, Binder, Separator, Elektrolyt, Additive usw.) können im Labormaßstab verschiedene Geometrien und Konfigurationen (Swagelok®-Typ, Knopfzellen, EL-Cells mit 2- oder 3-Elektrodenkonfiguration) verwendet werden.

Dabei können verschiedene elektrochemische Techniken und Analysemethoden wie:

• Zyklische Voltammetrie
• Galvanostatische Ladung / Entladung
• Elektrochemische Impedanzspektroskopie
• Entladung mit konstanter Leistung
• Elektrochemische Quarzmikrowaage (Methode zur Analyse von Massenänderungen an der Elektrode während elektrochemischen Analysen)
• Dilatometer (Methode zur Analyse der Volumenänderungen an den Elektroden während elektrochemischen Analysen)

eingesetzt werden. Prä- und Post-Mortem-Analysen können mittels REM (ausgestattet mit einem EDX-Detektor), BET-Analyse, ICP-OES-Analyse, XPS, und Raman-Spektroskopie an den (Aktiv‑)Materialien, Elektroden und Elektrolyten durchgeführt werden. Wir am Fraunhofer ISE forschen sowohl an organischen als auch an wässrigen Elektrolyten für EDLCs.

Basierend auf unserer langjährigen Erfahrung in der Elektrodenherstellung entwickeln wir auf das jeweilige Material abgestimmte Elektrodenzusammensetzungen und Beschichtungsverfahren. Darüber hinaus forschen wir an einer umweltschonenden Elektrodenherstellung, bei der sowohl wässrige als auch trockene (lösungsmittelfreie) Prozesse zum Einsatz kommen. Die Elektrodenpräparation kann durch eine Reihe von physikalisch-morphologischen Charakterisierungsmethoden (Porositätsmessungen, Adhäsionstest, REM einschließlich EDX-Analyse usw.) überprüft und mit der elektrochemischen Performance der Zellen korreliert werden.

Neben der Untersuchung von den klassischen symmetrischen EDLC bieten wir Untersuchungen in asymmetrischen Konfigurationen an. Bei diesen basiert die Elektrodenanordnung entweder auf asymmetrischen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Konfigurationen oder auf Kohlenstoff/Kohlenstoff-Konfigurationen auf der Basis von Batteriematerialien. Dabei kann eine Elektrode ein Einlagerungsmaterial auf Lithium-, Natrium- oder Kalium-Ionen-Basis und die andere eine typische Doppelschichtelektrode (auch als Metallionenkondensator oder Superbatterie bezeichnet) sein. Für diese Konfigurationen forschen wir an der Optimierung der Massenbilanzierung der Elektroden und wenden verschiedene Prä-Metallierungs-Strategien auf Grundlage von Additiven an.

Im Bereich der Superkondensatoren bieten wir am Fraunhofer ISE die Skalierung der Elektrodenfertigung sowie der Pouch-Zellen-Assemblierung an. Unsere Expertise umfasst die Entwicklung und Optimierung von Elektrodenformulierungen, Beschichtungstechniken und Trocknungsprozessen, die auf industrienahen Prozessen basieren. Darüber hinaus können am Fraunhofer ISE die elektrochemische Leistungsfähigkeit, die Zyklenlebensdauer sowie die Sicherheitseigenschaften von EDLC- und Hydridsystemen in Pouch-Zellen charakterisiert und bewertet werden.