Untersuchung diverser Materialpaarungen zur Optimierung der Leistungs- und Spannungskennwerte für strukturintegrierte Superkondensatorzellen

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer umfassenden elektrischen Analyse verschiedener Elektrolyt-, Separator- und Elektrodenkonfigurationen von Superkondensatorsystemen zur späteren Strukturintegration. Hierzu werden 10 verschiedene ionische Lösungen und Separatoren ausgewählt und zusammen mit drei unterschiedlichen Elektrodenkompositionen sowie Beschichtungsdicken untersucht. Die Evaluierung der einzelnen Konfigurationen findet mit Hilfe der Zyklischen Voltammetrie (CV), der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und Aufnahmen aus dem Rasterelektronenmikroskop statt. In einem ersten Schritt werden die Elektrolyte und Separatoren auf Grundlage der Referenzkonfiguration am DLR vorevaluiert. Hier zeigen sich unterscheidbare elektrolytspezifische und separatorspezifische Einflüsse. Viskose und hochgradig fluorierte Elektrolyte erweisen sich als nachteilig. Das gewählte Nafion-212- und ePTFE-Material eignen sich nicht für die Untersuchung. Die Kompatibilität gleicher (z.B. Celgard 2500 und 3501) und anderer Separatorenmaterialien (z.B. HiPore) mit den Elektrolyten sind elektrolyt- und porenabhängig. Weiterhin wurden reaktive Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Separator festgestellt. Die Gegenüberstellung der verbleibenden Materialien in der 1. Versuchsreihe zeigt eine besonders gute Eignung von Polyethylen B (PE B). Hier wurden insgesamt 11 Konfigurationen bestehend aus 7 Elektrolyten ([1], [2], [4], [5], [6], [7] und [8]) und 4 Separatoren für die nächsten Versuchsreihen favorisiert. Die Bewertung der Beschichtungsdicken (100, 200 und 300 µm feucht) wurde in der 2. Versuchsreihe exemplarisch für die vorteilhaftesten Separatorvertreter aus einer Elektrolytgruppe durchgeführt. Hier ergeben sich einerseits große Entladekapazitäten aber andererseits auch reaktive Wechselwirkungen zwischen Elektrode und Elektrolyt abhängig von der Beladungsmenge. Die Konfigurationen PE B [4] und [5] für 300 µm sowie Celgard 3501 [8] für 200 µm sind favorisiert worden. Die Evaluierung von Single-Wall-Carbon-Nanotubes in zwei unterschiedlichen Elektrodenkompositionen in der 3. Versuchsreihe zeigt ein dreimal besseres kapazitives Verhalten aber nachteilige Widerstands- und Rissfestigkeitscharakteristiken gegenüber Multi-Wall-CarbonNanotubes. Carbon Black profiliert sich in größeren Mengen über eine Begünstigung der Widerstands- und Kapazitätskennwerte. Die eingesetzte SW-CB+-Elektrode wird favorisiert. Abschließend sind PE B [4] 200 und Celgard 3501 [8] 200 für das Up-Scaling und die Strukturintegration gegenübergestellt worden. PE B [4] 200 realisiert einen Widerstand von 0,64 Ω und eine Entladekapazität von 379,94 [F/[g/cm²]]. Celgard [8] 200 wird mit 0,541 Ω und 136,51 [F/[g/cm²]] abgeschätzt. Die Strukturintegration führt wegen der Kompaktierung zu einer Verringerung des Widerstandswerts um etwa 28 % gegenüber den Labordaten. Die erfassten Entladekapazitäten unterscheiden sich von Labor zu Demonstrator um den Faktor 138 und 143. Insgesamt wird vom energetisch-elektrischen Standpunkt PE B [4] 200 gegenüber der Referenzkonfiguration für strukturintegrierte Applikationen am DLR favorisiert.