ENTWICKLUNG UND CHARAKTERISIERUNG VON SEPARATORFREIEN HOCHSPANNUNGS-FESTKÖRPER-SUPERKONDENSATOREN, BESTEHEND AUS POLYMER-GEL-ELEKTROLYTEN UND NASSCHEMISCH HERGESTELLTEN GRAPHEN-ELEKTRODEN

Abstract

Diese Forschungsarbeit berichtet über die Herstellung und Optimierung von symmetrischen Hochspannungs- Festkörper-Superkondensatorzellen (≤ 3,0 V) unter Verwendung von im eigenen Labor entwickelten Graphen-Elektroden und Polymer-Gel-Elektrolyten (PGEs) für die Luft- und Raumfahrt. Die SCs sind unter Verwendung von Aluminiumstromkollektoren mit Graphen Nanoplatelets (GNPs) und herkömmlicher Aktivkohle (AKs) sowohl in Knopf- als auch Pouchzellenbauweise hergestellt worden. Dabei lag der Fokus besonders auf die intensive elektrochemische Charakterisierung der hergestellten SCs basierend auf den ionischen Flüssigkeitselektrolyten 1-Ethyl-3-Methylimidazolium-bis-(trifluormethylsulfonyl)-imid [EMIM][TFSI] eingebettet in zwei ionenleitenden Wirtspolymermatrizen (z. B. Polypropylencarbonat (PPC), Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) (PVDF-HFP). Die Reduzierung parasitärer Massen (z. B. nicht aktive Komponenten wie Separatoren) und hohe Leckagebeständigkeit sind ebenfalls Ziele dieser Forschungsarbeit. Die Entwicklungsarbeiten demonstrieren eine optimierte Anwendung von zwei unterschiedlich kombinierten PGEs mit IL-Elektrolyten, die einen leckage und separatorfreien SC-Betrieb ermöglichen und eine hervorragende superkapazitive Leistung mit hoher Kapazität und Energiedichte aufweisen. Dabei ist es gelungen, die Betriebsspannung der Zellen auf bis zu +3,0 V ohne Zersetzung des Elektrolyten zu erhöhen. Die Gesamtstudie zum leckage- und separatorfreien Hochspannungs-Festkörper-SC mit PGE bietet eine Alternative zu herkömmlichen, flüssigen Elektrolytsystemen und ist eine innovative Möglichkeit für fortschrittlichere Energiespeicherung in anspruchsvollen mobilen Anwendungen von Luft- und Raumfahrt bis hin zu Transport- und regenerativen Energiesystemen.