Energie-Materialien

Die Juniorforschungsgruppe “Energie-Materialien” entwickelt neuartige Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung, wofür vor allem Doppelschichtkondensatoren und Pseudokondensatoren systematisch aufgebaut werden. Dies schließt neben der Synthese poröser Kohlenstoffe und hybrider Nanomaterialien auch die gezielte Untersuchung der komplexen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ein und mündet in der Entwicklung voll funktionsfähiger Zellen. Hierbei kommen moderne Synthesemethoden und -technologien zum Einsatz, welche es erlauben, Oberflächen gezielt chemisch und strukturell zu modifizieren und in-situ Messungen durchzuführen. Das Ziel ist es, die elektrochemische Energiespeicherkapazität und –leistung zu steigern, indem die zugrundeliegenden physikochemischen Prozesse im Detail verstanden werden. Insbesondere konzentriert sich die Energie-Materialien-Gruppe auf die folgenden Punkte: (1) Entwicklung von Pseudokondensatoren mit hoher Energiedichte, (2) Entwicklung hierarchisch poröser Kohlenstoffnanofasern und (3) systematische Leistungscharakterisierung unter realen Einsatzbedingungen und mittels in-situ Methoden.

Motivation: Elektrochemische Energiespeicherung (EES)
Im heutigen Stromnetz wird der Verbrauch zum allergrößten Teil erzeugerseitig ausgeglichen. Das bedeutet, dass nur ein sehr kleiner Teil der Energie tatsächlich gespeichert wird und Schwankungen im Verbrauch direkt durch Veränderungen in der Menge erzeugter Energie kompensiert werden. Mit dem Aufkommen erneuerbarer Energien wird das Netz jedoch vor neue Herausforderungen gestellt, da beispielsweise Solarstrom und Windenergie extrem stark in der Produktionsrate schwanken. Die Frage, wie man trotz eines wünschenswert hohen Anteils erneuerbarer Energieträger dennoch die Netzstabilität gewährleistet, ist bisher technologisch nicht beantwortet worden. Derzeit werden verschiedenste Technologien hierzu entwickelt, ein Ausschnitt hiervon ist in Abbildung 1 wiedergegeben. Die meisten dieser Technologien erfordern, dass die primär elektrisch erzeugte Energie in chemische oder mechanische Energie überführt wird – dies geht jedoch meist stark zu Lasten der Effizienz und der Lade- und Entladegeschwindigkeit. Direkte elektrochemische Energiespeicherung umgeht dieses Problem, und es ist mittel EES möglich, nicht nur sehr schnell, sondern auch extrem effizient Energie zu speichern.


Abb. 1 Überblick über verschiedene EES Technologien

Hocheffiziente, zuverlässige und langlebige Energiespeichertechnologien werden jedoch nicht nur im großen Maßstab für das Stromnetz benötigt, sondern auch für verschiedenste andere Anwendungen. So ist EES überall dort gefragt, wo schnell geladen und entladen werden muss (zum Beschleunigen, Bohren oder Anheben) oder dort, wo extreme Umgebungstemperaturen den Einsatz herkömmlicher Batteriesysteme aus Sicherheitsgründen nicht gestatten (z.B. in arktischen oder wüstenähnlichen Regionen).

Technologischer Ansatz: Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs)
Unter den derzeitigen EES- Technologien zeichnet sich vor allem der Elektrochemische Doppelschichtkondensator (electrochemical double-layer capacitor: EDCL) durch hohe Leistungsdichte und extreme Langlebigkeit über Millionen Lade- und Entladezyklen aus. EDLCs werden auch als supercapacitors oder ultracapacitors bezeichnet und, im Vergleich zu Batterien, wird Energie nicht chemisch, sondern rein physikalisch gespeichert. Hierbei werden in einem Elektrolyt gelöste Ionen an die Oberflächen zweier unterschiedlich polarisierter Elektroden elektrosorbiert, wobei die hierdurch gespeicherte Energie in Sekunden wieder vollständig und reversibel abgeführt werden kann. Im Fall von ionischen Flüssigkeiten liegen keine gelösten Ionen mehr vor, und die hohe elektrochemische Beständigkeit ermöglicht besonders hohe Energiedichten. Herkömmliche Elektrolyte sind entweder wässrig oder organisch und unterscheiden sich ganz erheblich bezüglich der maximal zulässigen Spannung, bei welcher das System sicher und effizient betrieben werden kann. Um eine hohe Leistungs- und Energiedichte zu erhalten ist es essentiell, die Porengröße und Porenverteilung der Elektroden genau auf das verwendete Elektrolyt (genauer gesagt: die Ionengröße) abzustimmen. Eine besondere Herausforderung ist daneben, die, im Vergleich zu Batterien, moderate Energiedichte von EDLCs zu verbessern. Dies bildet einen besonderen Forschungsschwerpunkt in der Juniorforschungsgruppe und wird mittels hybrider Systeme (so genannte Pseudokondensatoren) angegangen, welche zusätzliche Ladungsspeicherung durch organische und inorganische Oberflächenmodifikationen erreichen.


Abb. 2 Schematische Darstellung des Mechanismus, mittels dessen Energie via Ionenelektrosorption in EDLCs reversibel gespeichert wird

Materialtechnischer Ansatz: Karbid-abgeleitete Kohlenstoffe (CDCs)
Karbid-abgeleitete Kohlenstoff (carbide-derived carbons: CDC)kommen in verschiedener Form in den ELDC- Systemen zum Einsatz, welche in der Juniorforschungsgruppe entwickelt werden. CDC ist eine Materialfamilie, die aus verschiedenen binären Karbiden (z.B. SiC oder TiC), ternären Karbiden (z.B. Ti2AlC, Ti3SiC2), oder von pyrolysierten Polymeren abgeleitet werden können. Die letztere Gruppe von CDC-Prekursoren, gehört zu den Polymer-abgeleiteten Keramiken (polymer-derived ceramics: PCD) und umfasst eine ganze Bandbreite an verschiedenen Zusammensetzungen (meist innerhalb der Systeme Ti-O-C-N und Si-O-C-N). Der große Vorteil von PDC-CDC ist die flexible Formgebung, welche poröse Monolithe, Schwämme oder Nanofasern ermöglicht. Die Juniorforschungsgruppe konzentriert sich dabei vor allem auf die Synthese von elektrogesponnenen CDC-Nanofasern, die, wie auch alle anderen CDCs, durch Halogenbehandlung erzeugt werden.


Abb.3 Karbid-abgeleitetes Kohlenstoffpulver. Links: makroskopische Aufnahme; Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Partikel

Die CDC- Familie umfasst viele Strukturen, welche kristallin oder ganz amorph, sp2 oder sp3 hybridisiert, hochporös oder gänzlich ohne Poren vorkommen. Für die Juniorforschungsgruppe ist dabei die Möglichkeit, die Porosität poröser CDCs mit sub-Angström-Genauigkeit einzustellen, von besonderer Bedeutung. Dies geschieht über die Wahl des Prekursormaterials und der Synthesebedingungen (v.a. Temperatur). Das Ergebnis ist Designer-Kohlenstoff, welcher nicht nur für EES attraktiv ist, sondern auch für Gasspeicherung (H2, CO2, CH4), Entsalzung (desalination via capacitive deionization: CDI), oder selektive Sorption. Neben CDC setzt die Juniorforschungsgruppe aber auch andere Kohlenstoffnanomaterialien ein, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes: CNT) oder Kohlenstoffnanozwiebeln (carbon onions). Mit diesen lassen sich besonders leistungsfähige EDLC- Systeme entwickeln.