Untersuchung und Modellierung der mikroskopischen Ursachen für das nicht-lineare Alterungsverhalten von kohlenstoff-basierten Elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Uwe Sauer
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236369933

In diesem Forschungsvorhaben soll das Alterungsverhalten von elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren, im Folgenden SuperCaps genannt, systematisch untersucht werden, um ein tiefes Verständnis der an den einzelnen Elektroden auftretenden physikalisch-chemischen Alterungsprozesse zu erlagen. Aus experimentellen Ergebnissen von Post Mortem Analysen soll ein physikalisch-chemisches Modell entwickelt werden, das diese Alterungsprozesse abbildet und zur Lebensdauerprognose dient.Heutzutage werden zur Lebensdauervorhersage typischerweise Faustformeln angewendet, wie Halbierung der Lebensdauer mit 100 mV Spannungserhöhung oder bei 10 K Temperaturerhöhung. Als Basis dazu dienen extrapolierte Daten der Lebensdauerergebnisse, die bei hohen Temperaturen und Spannungen gemessen wurden. Allerdings haben experimentelle Ergebnisse gezeigt, dass sich das Alterungsverhalten der Zellen mit diesem einfachen Erklärungsmuster nicht hinreichend abbilden lässt. Außerdem würde bei konsequenter Extrapolation die Zelle bei Lagerung bei sehr tiefen Temperaturen bzw. Zellspannungen eine Lebensdauer von über hundert Jahren erreichen. Daher sollen in diesem Forschungsvorhaben Wirkmechanismen der Alterung identifiziert werden, sowie deren Abhängigkeit von Potentialen, Stromstärken und Temperaturen. Diese Ergebnisse dienen dann als Basis zur Entwicklung eines genauen Lebensdauerprognose-Modells.Zur Analyse der physikalisch-chemischen Alterungsprozesse wird an kommerziellen Kohlenstoff-basierten SuperCap-Zellen eine Post Mortem Analyse durchgeführt. So sollen strukturelle Änderungen der Elektrodenoberfläche, sowohl an der Kathode wie auch der Anode, detektiert und eine Materialanalyse durchgeführt werden. Als Basis dienen hierzu bereits am Institut des Antragsstellers in kalendarischen und zyklischen Alterungstests gealterte Zellen, die zur Post Mortem Analyse geöffnet werden sollen. Da die Alterungsbedingungen der Zellen bekannt sind, soll geklärt welche Prozesse angestoßen wurden und wie sie sich auf die Performance der Zelle auswirken. Außerdem soll geklärt werden, wie es zu in experimentellen Untersuchungen beobachteten Regenerationsprozessen kommen kann, bei denen sich die Kapazität der Zellen während der Alterung plötzlich wieder erhöhte.Alle Erkenntnisse, die aus den experimentellen Ergebnissen der Post-Mortem-Analyse gewonnen werden, sollen anschließend in ein chemisch-physikalisches Modell einfließen, das auf Partikelebene beginnt und die komplexen Prozesse in den Poren der Kohlenstoff-Elektroden sowie in der Grenzschicht zwischen Elektrolyt und Elektrode abbildet. Das Modell soll es ermöglichen, mathematisch zu analysieren, wie sich Spannung, Lastprofil und Temperatur auf die Lade-/Entladeprozesse auswirken und welche Alterungsprozesse dadurch angestoßen werden. Mithilfe dieses Modells soll abschließend eine grundlegende Bewertung von Betriebsstrategien und Belastungsprofilen im Hinblick auf die Lebensdauer erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen