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Elektrischer Speicher
BMBF
Superkondensatoren 14.9.2015

Zusammenbau von elektrischen Doppelschichtkondensatorenzellen in Inertgas
© INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien

Nanomaterial verbessert Kapazität

Superkondensatoren sind zum Management des Stromnetzes als Kurzzeitspeicher und zur Erhöhung der Effizienz einer Vielzahl von verschiedenen Systemen sehr wichtig. Beispielsweise sind sie im öffentlichen Verkehr unabdingbar. Im Projekt nanoEES3D erforscht eine Nachwuchsgruppe diese Technik nun genauer und gleichzeitig auch die Energiespeicher-Kapazität verbessern.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Projektlaufzeit Juni 2012 bis Mai 2017

Die Speicherung elektrischer und elektrochemischer Energie verstehen wir heute als Schlüsseltechnologien um die großskalige Adaptierung erneuerbarer Energien in das Stromnetz und unseren täglichen Gebrauch zu ermöglichen. Darüber hinaus erwächst diesen Technologien auch eine zentrale Rolle für mobile stationäre Applikationen die ganz generell hohe Energieeffizienz und ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit aufweisen. Superkondensatoren sind dabei eine Technologie, die zum einen reine elektrische Doppelschichtkondensatoren, andererseits aber auch Pseudokondensatoren umfasst. Beide stellen ausgesprochen gut geeignete Systeme zur Speicherung von Energie mit hoher Leistungsdichte und extrem langer Lebensdauer dar. In dem dargestellten Projekt werden Grundlagen der Energiespeicher-Mechanismen, Wege zur Verbesserung der Energiespeicherkapazität, welche diese Technologie derzeit am deutlichsten limitiert und kostengünstige Präkursor-Alternativen untersucht. Das Elektroden-Material ist dabei stets kohlenstoffbasiert; für Pseudokondensatoren kommen in Ergänzung zu hochporösem oder nano-skopischem Kohlenstoff auch Metalloxide und Polymere sowie funktionale Oberflächengruppen zum Einsatz.

  • Elektrospinnen ultrafeiner Metallkarbid/Kohlenstoff Komposit-Fasern © INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien
  • Energiespeicherung mittels Ionenelektroadsorption © Jun.-Prof. Dr. Volker Presser
  • Verschiedene Strukturen karbid-abgeleiteter Kohlenstoffe © Jun.-Prof. Dr. Volker Presser
  • Ultrafeine Metallkarbid/Kohlenstoff Nanofaser aus dem Elektrospinn-Prozess © Jun.-Prof. Dr. Volker Presser
  • Zusammenbau von elektrischen Doppelschichtkondensatorenzellen in Inertgas © INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien

Die Anforderungen an Systeme und Materialien zur Energiespeicherung sind heute wesentlich höher als noch vor ein paar Jahren und es wird nicht mehr ausschließlich auf eine hohe Energiedichte und niedrige Kosten geachtet. Vielmehr spielen auch Einsatztemperaturen, Umweltverträglichkeit, Sicherheitsaspekte und die Verfügbarkeit der verwendeten Rohstoffe eine entscheidende Rolle. Besonders wichtig ist die Leistung des Systems (also Energie pro Zeit), was bei Strommanagement eine zentrale Rolle einnimmt. Hier sind „peak shaving“ oder „load levelling“ immer wichtiger werdende Konzepte. Denn die Kontrolle des Stromnetzes ist nicht nur aus kostentechnischer Sicht wichtig – also möglichst viele Ressourcen erneuerbarer Energien auch genutzt werden können –, sondern aus Gründen der Netzstabilität unabdingbar. Dieser Aspekt wird jedoch dadurch komplizierter, indem immer mehr konventionelle Kraftwerke abgestellt und immer mehr (potenziell stark fluktuierende) erneuerbare Energieträger in das Netz eingebunden werden. Daher sind Systeme wie Superkondensatoren zum Management des Stromnetzes als Kurzzeitspeicher und zur Erhöhung der Effizienz einer Vielzahl von verschiedenen Systemen sehr wichtig - beispielsweise im öffentlichen Verkehr. Im Projekt nanoEES3D werden diese Techniken erforscht.

Von der Synthese bis zur Zellenherstellung

Das Projekt vollzieht die Spannbreite von anwendungsrelevanter Grundlagenforschung über die Synthese von neuen Nanomaterialien und in-situ-Messmethoden bis hin zur Herstellung kleiner Zellen (mit einer elektrischen Kapazität von wenigen Farad für Forschungszwecke). Hierbei werden die grundsätzlichen Energiespeicher-Mechanismen auf atomarer und molekularer Ebene verfolgt, die an der Grenzfläche zwischen elektrisch geladenen Leitern und den Ionen in verschiedenen Elektrolyten im Gleichgewicht oder dynamisch stattfinden. Das ermöglicht Neuerungen im Zellaufbau und in der Material-Optimierung zu erarbeiten. Insbesondere fokussiert sich das Projekt auf die folgenden Punkte: Grundlagen der Energiespeicherung untersuchen, technologie-limitierende Faktoren identifizieren, alternative (d. h. kostengünstige) Präkursoren-Materialien identifizieren und Zellen mit besonders hoher Energiedichte realisieren.

Ansatzpunkt für die Optimierung sind poröse Kohlenstoff-Materialien, welche von Keramiken und Polymeren abgeleitet werden. Die Syntheseparameter können so variiert werden, sodass eine hochpräzise Optimierung der Porenstruktur des Elektrodenmaterials möglich ist. Das Material wird insbesondere auf hohe spezifische Oberflächen und eine Porengröße eingestellt, welche auf das jeweilige Elektrolytsystem abgestimmt wurde. Das Einbringen von Größeren hierarchischen Poren zur Verbesserung des Ionentransports ist für die Darstellung hoher Leistungsdichten von großer Wichtigkeit.  Das sogenannte Sol-Gel-Verfahren und Polymere ermöglichen hierbei besonders großes Potenzial für hierarchische Porosität durch gezielte Optimierung der Präkursor-Struktur mit sehr freier Formgebung (Fasern, Kugeln, Schäume, Filme). Dies ermöglicht neue Ansätze für das Elektrodendesign.

Teilvorhaben

Synthese und Elektrospinnen von polymer- und Sol-Gel abgeleiteten Fasermatten: Durch den Einsatz von diesen Synthesewegen ist es möglich, freistehende und bindemittelfreie Elektroden zu erhalten, welche verbesserte elektrische Leitfähigkeit und reduzierte Totmasse aufweisen. Das freie Porenvolumen zwischen den einzelnen Fasern wird im Projekt als Raum zur Einbringung von redox-aktiven Materialien erforscht (elektroaktive Polymere und Metalloxidnanopartikel).

Die Energiespeichermechanismen werden in-situ chakterisiert, die durch Ionenelektroadsorption dominiert werden. Insbesondere wird hierzu elektrochemische Dilatometrie eingesetzt, welche die volumetrische Expansion von Kohlenstoff- und Komposit-Elektroden dynamisch messen kann. Faradaysche Reaktionen, wie sie bei Pseudokondensatoren auftreten, werden mittels der Quarzkristall-Mikroadmittanz und -gravimetrie verfolgt, um Ionen-Interkalationsvorgänge besser zu verstehen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

23. Oktober 2017
E-Mobility Power System Integration Symposium

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
Weitere Adressen

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.