FWF - Capacitors - Elektrifizierte Kohlenstoff / Iodid-Schnittstelle für Hybridkondensatoren

Elektrochemische Kondensatoren (EK) sind im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien, wie z.B. der Lithium-Ionen-Akkumulator, einzigartige Energiespeicher bezüglich der Möglichkeit hohe Leistungen zu generieren. Zusätzlich, aufgrund des hauptsächlich physikalischen Lademechanismus, können EK ohne wesentliche Leistungseinbußen millionenfach geladen und entladen werden. Aufgrund dessen finden EK zahlreiche Anwendungen, wie z.B. bei der Bremsenergierückgewinnung in Hybridfahrzeugen. Laut Fahrzeugherstellern kann dadurch bis zu 30 % Treibstoff eingespart werden. Durch eine Steigerung der energetischen Leistung von EK könnte deren Anwendungsspektrum erweitert werden, mit dieser Motivation wird das Projekt “Charge transfer at the electrified carbon/iodide interface and its application for the development of high energy hybrid electrochemical capacitors” eingereicht. In dieser Arbeit werden hybride EK entwickelt wo eine Elektrode als Batterieelektrode arbeitet (hohe Kapazität), und die zweite Elektrode als Kondensatorelektrode. Diese sogenannten elektrochemische kondensatoren werden mit unbedenklichen, umweltfreundlichen wässrigen Elektrolyten arbeiten. Durch das Lösen von redoxaktiven Stoffen, wie z.B. Iodide, kann in diesen hoch-leitfähigen Elektrolyten zusätzlich die Kapazität erhöht werden. Das grundlagenforschungsorientierte Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung des Ladungsdurchtritts an der Grenzfläche Kohlenstoff/Iod. Die Iod-Spezies kann durch physikalische oder elektrochemische Prozesse in die Kohlenstoffporen gelangen, dies beeinflusst den Ladungsdurchtritt. Mithilfe von in situ elektrochemische techniken, Raman-Resonanz-Spektroskopie und Mößbauer-Spektroskopie werden die Interaktionen der Polyiodid-Spezies in den Kohlenstoffmaterialien untersucht. Die optimierten positiven Elektroden aus Kohlenstoff mit einer hohen Kapazität werden mit kapazitiven negativen Elektroden kombiniert werden. Die hochkonzentrierten neutralen Salzlösungen in diesen hybriden EK verhindern eine schädliche Oxidation der Kohlenstoffmaterialien bei Langzeitanwendungen in einem breiten Temperaturbereich. In Alterungsversuchen wird das Entstehen von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen an der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode mittels Thermogravimetrie, Massenspektroskopie und elektrochemischen Methoden untersucht werden. Die Resultate des Projekts werden ein besseres elektrochemisches Verständnis der Grenzfläche Kohlenstoff/Iod sein, sowie ein besseres Verständnis der Polyiodid-Spezies welche in Kohlenstoffporen oder auf Kohlenstoffoberflächen entstehen. Letztere Polyiodid-Spezies könnten unterschiedlich sein zu den bisher bekannten Spezies. Dieses Wissen wird es ermöglichen neue Elektrodenmaterialien und neue umweltfreundliche preisgünstige wässrige Elektrolyte zu entwickeln für die Herstellung von hybriden EK mit einer hohen Leistung und hohem Energiegehalt.