UMWELTnanoTECH

UMWELTVERTRäGLICHE ANWENDUNGEN DER NANOTECHNOLOGIE

4 Hybridkondensatoren für smart grids und regenerative Energietechnologien

Arbeitsfeld:

Regenerative Energietechnologien, wie z. B. Windkraft- und Photovoltaikanlagen, sind in ihrer Stromproduktion abhängig von der jahreszeitabhängigen Sonnenscheindauer und der Witterung. Für die kurzzeitige Überbrückung daraus resultierender Stromschwankungen ist derzeit noch kein geeignetes zuverlässiges Energiespeichersystem vorhanden. Neue Speichersysteme sollen Verbrauchsspitzen in der Stromproduktion ausgleichen und zugleich temporäre Netzbelastungen bzw. Überbelastungen vermeiden. Auch in anderen Bereichen, wie z. B. in der Elektromobilität oder der Energieversorgung von immer leistungsfähigeren Smartphones und Laptops, sind effiziente und maßgeschneiderte Energiespeicher von großem Interesse.
Im aktuellen Projekt sollen Hybridkondensatoren als hocheffiziente Energiespeicher in Richtung Anwendungstauglichkeit weiterentwickelt werden. Wie in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren sollen die Hybridkondensatoren die Energie durch die Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht speichern. Allerdings soll analog zu Lithiumionenbatterien zusätzliche Energie durch die Einlagerung von Lithium-Ionen in einem Aktivmaterial gespeichert werden. Durch die Kombination dieser beiden Speichermechanismen sollen Systeme mit hoher und maßgeschneiderter Energie- und Leistungsdichte realisiert werden. Die guten Eigenschaften von Kondensatoren hinsichtlich Lebensdauer, Effizienz und Zuverlässigkeit sollen dabei erhalten bleiben.
Zu Beginn der Arbeiten wurde die Kohlenstoffcharge von Kuraray YP-17D (kommerziell nicht mehr verfügbare Charge aus Vorarbeiten) auf Kuraray YP-50F umgestellt. Dabei wurden Unterschiede bezüglich der Verbrennungstemperatur und -rückstände sowie in der BET-Oberfläche festgestellt.
Bisher wurde der Aktivkohlenstoff Kuraray YP-50F mit Li4Ti5O12 - und LiFePO4-Sol umgesetzt. Dabei entstanden nanoskalige Partikelmischungen aus umgesetztem Aktivkohlenstoff und Batterieaktivmaterial, die noch weiter untersucht und elektrochemisch charakterisiert werden müssen.
Des Weiteren wurden acht verschiedene kommerzielle Separatoren bezüglich Ihrer Eignung für den Einsatz in Hybridkondensatoren getestet. Die Unterschiede zwischen den Separatoren sind hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften relativ gering und liegen im Bereich des Messfehlers der verwendeten Messzellen. Für die weiteren elektro-chemischen Untersuchungen wurde ein Separator wegen seiner geringen Dicke (25 μm) ausgewählt.
In den weiteren Arbeiten sollen unterschiedliche kommerzielle Aktivkohlenstoffmaterialien mit Batteriematerialien beschichtet und bezüglich ihrer Eignung als Aktivmaterialien in Hybrid-kondensatoren getestet werden. Als neues Synthesetool wird ein Mikrowellen-basiertes Verfahren untersucht, um Batteriematerialien bei insgesamt kürzeren Reaktionszeiten auf den Aktivkohlenstoffen in einer Qualität abscheiden zu können, die bisher noch nicht erreicht werden konnte. Zudem ist es möglich, die Herstellbedingungen zu modifizieren, indem beispielsweise die Aktivkohlenstoffe vor der Umsetzung chemisch oder thermisch aktiviert werden.