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Elektrischer Speicher
BMBF
Doppelschichtkondensatoren 1.9.2016

Ein Mitarbeiter im Syntheselabor der FAU-Erlangen Nürnberg
© FAU Erlangen-Nürnberg

Aktivierte Kohlenstoffe erhöhen Energiedichte

Innerhalb des Projektes ActivCaps entwickeln Wissenschaftler neue Elektrodenmaterialien für hocheffiziente Doppelschichtkondensatoren. Im Gegensatz zu rein empirischen Untersuchungen soll der strukturelle Aufbau der Materialien auf der Nanoskala exakt charakterisiert sowie die Simulationsalgorithmen materialspezifisch angepasst werden. Die entwickelten Simulationswerkzeuge lassen sich dann beispielsweise zur Materialentwicklung einsetzen.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Projektlaufzeit September 2013 bis August 2016

Für die Speicherung elektrischer Energie werden in Zukunft neuartige Hybridtechnologien benötigt, um die komplexen Herausforderungen dezentraler Energieversorgung zu meistern. Eine wichtige Rolle kommt dabei elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren zu, die aufgrund ihrer hervorragenden Leistungsdichte bei schnellen Lade- und Entladezyklen eine Brückenfunktion einnehmen. Die Mechanismen der Energiespeicherung sind in diesen Systemen durch komplexe Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen aktiviertem Kohlenstoff und Elektrolyt geprägt. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist es, basierend auf einem grundlegenden Verständnis der Mechanismen der Energiespeicherung, neue Elektrodenmaterialien zu entwickeln und diese Technologie für stationäre Energiespeicher zu etablieren.

Ausgangspunkt des AktivCaps-Projekts ist die überragend hohe Leistungsdichte elektrochemischer Doppelschichtkondensatoren (EDLC), die zudem mit über 90 Prozent die höchste Energieeffizienz aller Energiespeicher besitzen. Den Vorteilen der EDLCs, wie hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad bei geringem Wartungsaufwand, steht derzeit eine geringere Energiedichte im Vergleich zu Akkumulatoren oder Redox-Flow-Batterien gegenüber. Daher soll innerhalb des AktivCaps-Projektes die Energiedichte von EDLCs erhöht werden.

  • Strukturmodell aktivierter Kohlenstoff mit Adsorbat © Scienomics GmbH
  • Validierung von Strukturmodellen und Simulations-Algorithmen: Berechnete CO2-Adsorptionsisotherme im Vergleich zum Experiment © Scienomics GmbH
  • TEM-Aufnahme eines aktivierten Kohlenstoffs © FAU Erlangen-Nürnberg
  • Hochtemperaturanlage für die Herstellung aktivierter Kohlenstoffmaterialien © FAU Erlangen-Nürnberg
  • Syntheselabor der FAU-Erlangen Nürnberg © FAU Erlangen-Nürnberg
  • Detailansicht © FAU Erlangen-Nürnberg
  • Syntheselabor der FAU-Erlangen Nürnberg © Fau Erlangen-Nürnberg
  • Ein Mitarbeiter im Syntheselabor der FAU-Erlangen Nürnberg © FAU Erlangen-Nürnberg

Materialeigenschaften und -verständnis

AktivCaps basiert auf einem grundlegenden Verständnis der Mechanismen der Energiespeicherung durch simulationsgestützte Vorhersage der Materialeigenschaften. Im Gegensatz zu rein empirischen Untersuchungen ist es im AktivCaps-Verbund notwendig, den strukturellen Aufbau der Materialien auch auf der Nanoskala hinreichend exakt zu charakterisieren sowie die Simulationsalgorithmen – insbesondere solche auf der Basis von Monte-Carlo-Verfahren – materialspezifisch anzupassen. Die Optimierung der Syntheseverfahren für Aktivmaterialien erfolgt auf der Basis des gewonnenen Verständnisses der elektrochemisch aktiven Mechanismen.

Ansatzpunkt für die Optimierung ist das grundlegende Materialverständnis. Die im AktivCaps-Verbund entwickelten Simulationswerkzeuge können darüber hinaus auch in anderem Kontext eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise die Entwicklung von Materialien auf der Basis von Graphen umfassen.

Charakterisierung, Syntheseprozesse und Simulationswerkzeuge

Das Projekt umfasst neben der experimentellen Charakterisierung und der gezielten Optimierung von Syntheseprozessen für elektrochemisch aktive Kohlenstoffmaterialien auch die Entwicklung von Simulationswerkzeugen zur Vorhersage der Materialeigenschaften. Durch die Simulation kann die Entwicklung der aktivierten Kohlenstoffe zielgerichtet erfolgen, Optimierungspotenziale können erkannt werden. In der ersten Phase des Projekts wurden bereits eine Vielzahl verschiedener Kohlenstoffmaterialen synthetisiert und eingehend sowohl strukturell als auch hinsichtlich ihrer elektrochemischen Leistungsfähigkeit charakterisiert. Die Implementierung der Kernfunktionalitäten des Simulationswerkzeugs ist bereits abgeschlossen.

In den kommenden Phasen des Projekts, die sich über die nächsten zwei Jahre erstrecken, erfolgt eine Anpassung der Syntheseschritte basierend auf den Erkenntnissen aus der Simulation. Ein wesentlicher Faktor wird das zukünftige Verständnis der Wechselwirkung von Elektrolyt mit Aktivmaterial sein. Dies umfasst einerseits die Elektrolyt-Aufnahmefähigkeit des Materials sowie andererseits das Wechselspiel zwischen Elektrolytbeweglichkeit und einer möglichst großen elektrochemisch aktiven Oberfläche. Ziel ist es, neben einer hohen Leistungsdichte durch die Elektrolytbeweglichkeit auch eine im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik verbesserte Energiedichte zu erreichen.

Teilvorhaben

Teilvorhaben „Simulationswerkzeuge (Scienomics)“
Im Teilvorhaben "Entwicklung von Softwarewerkzeugen zur Simulation aktivierter Kohlenstoffe" wird ein neuartiges Monte-Carlo-Programm entwickelt, dass benutzerdefinierbare und problemspezifische Bewegungen verwendet. Damit wird eine hohe Effizienz des Monte-Carlo-Algorithmus im Hinblick auf das Durchtesten möglicher Konformationen erreicht. Das Monte-Carlo-Verfahren kann zum Aufbau von Modellen für aktivierte Kohlenstoffe genutzt werden, in dem experimentelle Daten als Zielgrößen verwendet werden. Die erzeugten Strukturen werden durch Vergleich mit experimentell erhaltenen Größen überprüft. Das Erstellen von Modellen wird durch Simulationen unterstützt.

Teilvorhaben „Mechanismen der Energiespeicherung (Fraunhofer IFAM)“
Der Projektbeitrag des Fraunhofer IFAM umfasst neben der physikalisch/chemischen Charakterisierung der amorphen Elektrodenmaterialien Simulationen zur Vorhersage der molekularen Vorgänge an der aktivierten Kohlenstoffgrenzfläche. Auf der Basis von Molekulardynamik-Simulationen werden die Ionen- und Elektrolytbeweglichkeit in den Porensystemen sowie die Kohlenstoff/Elektrolyt-Wechselwirkungen untersucht. Ziel ist es, auf der Basis molekularer Simulationen Struktur/Eigenschafts-Korrelationen ableiten zu können und diese Informationen bei der zielgerichteten Synthese optimierter Kohlenstoffmaterialien einzubringen.

Teilvorhaben „Entwicklung aktivierter Kohlenstoffe (FAU Erlangen-Nürnberg)“
Schwerpunkt der Arbeiten der FAU Erlangen-Nürnberg ist die Entwicklung von porösen Kohlenstoffmaterialien für hocheffiziente EDLC-Elektroden mit einer um 40 Prozent verbesserten spezifischen Kapazität. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht unter anderem darin, das für eine gegebene Anwendung beste Material zu identifizieren und dieses Material mit seiner komplexen Porenverteilung und auch spezifischen Oberflächeneigenschaften gezielt herstellen zu können. Gleichzeitig muss die Oberflächenchemie des Kohlenstoffs durch geeignete Funktionalisierung und Reinigung oder einem Ausheizen im Vakuum an das Lösemittel und Leitsalz angepasst werden.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

29. November 2017
RENEXPO® PV & StromSpeicher

5. Dezember 2017
Intersolar India

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Dr. Peter Schiffels
    Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

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