Untersuchung und Modellierung der mikroskopischen Ursachen für das nicht-lineare Alterungsverhalten von kohlenstoff-basierten Elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand dieses Forschungsprojektes war die systematische Analyse des Alterungsverhaltens von elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren, um ein tieferes Verständnis der an den einzelnen Elektroden auftretenden physikalischchemischen Alterungsprozesse zu erlangen. Aus experimentellen Ergebnissen von Post-Mortem Analysen ausgehend wurde ein Modell entwickelt, welches diese Alterungsprozesse abbildet. Ausgehend von der Analyse bereits gealterter Zellen wurden weitere elektrische Tests durchgeführt, um anschließend grundlegende Degradationsmechanismen im Rahmen einer Post-Mortem Analyse zu identifizieren. Es konnte ein deckschichtbildender Mechanismus identifiziert und ein chemischer Reaktionsweg aufgestellt werden. Weiterhin wurde eine Methodik entwickelt, mit welcher die elektrochemischen Eigenschaften der Einzelelektroden vermessen werden können. Die Ergebnisse zeigen, entgegen der vorherigen Annahme, eine geringere Kapazitätsabnahme an der positiven Elektrode als bisher vermutet. Der Temperatureinfluss auf die Degradation wurde bisher unterschätzt, so ist auch bei Belastung mit hohen Strömen die generierte Wärme die Hauptursache für verringerte Performance. Eine vorher vermutete Abhängigkeit der Regenerationseffekte von Belastungszyklen konnte nicht bestätigt werden, vielmehr ist die elektrische Performance durch physikalisch-chemische Degradation so beeinflusst, dass geforderte Leistungen nicht mehr geliefert werden können. Nicht verfügbare Kapazität kann aber durch Ruhephasen reaktiviert werden: die Ladungsträgerbewegungen sind durch Deckschichten deutlich verlangsamt. Die oben genannten Aspekte können Einfluss in Betriebsstrategien finden, um die Lebenszykluskosten von Doppelschichtkondensatoren weiter zu verringern. Dies kann beispielsweise über die Verwendung des entwickelten Modells geschehen, welches die gefundenen Ursachen für die Alterung abbilden kann. Die entwickelten Methoden zur Analyse der physikalisch-chemischen Zelldegradation, vor allem die Untersuchungen zur Deckschichtausbildung und zur Einzelelektrodenparametrierung sind bisher wenig bis gar nicht in der Literatur behandelt worden, weshalb Veröffentlichungen einen echten Mehrwert in dieser wissenschaftlichen community darstellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Post-Mortem Study of Electrode Ageing in Supercapacitors”, ECS Meeting Abstracts 2015
M Teuber, J Drillkens, DU Sauer
- „Post-Mortem study of electrode ageing in supercapacitors”, Advanced Battery Power 2015
M Teuber, J Drillkens, DU Sauer
- “Impact of Specific Operating Conditions on the Structural and Chemical Integrity of Electric Double-Layer Capacitors”, Advanced Battery Power 2016
M Teuber, DU Sauer
