Unter den Kondensatoren sind die so genannten Doppelschichtkondensatoren diejenigen, welche die größte Energiedichte und die höchsten Kapazitätswerte pro Bauvolumen aufweisen. Doppelschichtkondensatoren speichern die elektrische Energie in den so genannten Helmholtz-Doppelschichten der Elektroden. Bei den Super- oder Ultrakondensatoren wird die elektrische Energie darüber hinaus nicht nur elektrostatisch, sondern zusätzlich auch noch elektrochemisch durch eine Redoxreaktion an den Elektroden gespeichert, wodurch sie eine höhere spezifische Kapazität erlangen
Abb. 1. Doppelschichtkondensator im entladenen Zustand (links) und geladenen Zustand (rechts).
In elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren werden typischerweise Tetraalkyl-ammonium-Salze in Acetonitril eingesetzt, die eine gute Leitfähigkeit mit einem breiten elektrochemischen Fenster kombinieren. Nachteil von Elektrolyten dieses Typs ist der Dampfdruck des organischen Anteils des Elektrolyten, der prinzipiell bei einer Überhitzung das Risiko der Entzündlichkeit birgt.
Ionische Flüssigkeiten als neue Elektrolyte für Doppelschichtkondensatoren
Ionische Flüssigkeiten sind chemisch und strukturell den Tetraalkylammonium-Salzen sehr ähnlich, besitzen aber gegenüber diesen den Vorteil, dass sie niedrigere Schmelzpunkte besitzen. Solche ionische Flüssigkeiten, die für den Einsatz in Superkondensatoren besonders geeignet sind, benötigen daher kein zusätzliches Lösungsmittel wie z.B. Acetonitril oder Ethylen- oder Propylencarbonat, um über weite Temperaturbereiche im flüssigen Aggregatzustand vorliegen zu können. Der Einsatzbereich kann dabei durchaus im Bereich von -35°C bis 250°C liegen. Geeignete ionische Flüssigkeiten zeigen über den Temperatureinsatzbereich keine Tendenz zur Verdampfung.
Besonders interessant sind aber die interessanten elektrochemischen Eigenschaften für den Einsatz in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren:
- Elektrische Leitfähigkeit
- Elektrochemische Stabilität („breites elektrochemisches Fenster“)
Je höher die elektrische Leitfähigkeit ist, desto schneller kann der Kondensator geladen bzw. entladen werden. Unter elektrochemischer Stabilität des Elektrolyten versteht man dessen Stabilität gegenüber Oxidations- und Reduktionsprozessen. Je größer die elektrochemische Stabilität ist, desto höher kann prinzipiell auch die Kapazität des Kondensators sein.
In einer Reihe von Publikationen konnte der Einsatz ionischer Flüssigkeiten bereits erfolgreich gezeigt werden.[i] Insbesondere im Hinblick auf die Energiedichte und den Sicherheitsaspekt von Superkondensatoren können Elektrolyte, die auf ionischen Flüssigkeiten basieren, zukünftig einen erheblichen Fortschritt bringen.
IOLITEC entwickelt im Rahmen des von der EU geförderten Verbundprojektes "NEST - Nanowires for Energy STorage" tailor-made Ionic Liquids fuer den Einsatz als Elektrolyte in den untersuchten Ultracaps.
Carbon-Nanotubes als neue Elektrodenmaterialien für Doppelschichtkondensatoren
Seit ihrer Entdeckung durch Iijimi et al. haben Carbon Nanotubes sich aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften zunehmend verschiedene Anwendungsbereiche erschlossen.[ii]Die zylindrische Nanostruktur des zweidimensionalen Graphits verschafft ihnen eine riesige p-Elektronen-Oberfläche und gleichzeitig gleichförmige Poren im Nanometerbereich. Infolge dessen stellen sie ideale elektrisch leitfähige und gleichzeitig poröse Materialien dar, die in verschiedenen elektrochemischen Energiespeichersystemen (z.B. Li-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen oder Kondensatoren) als Elektrodenmaterial eingesetzt werden können.
Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Kombination von CNTs mit ionischen Flüssigkeiten, die so genannte „Bucky Gels“ ausbilden können. In diesen bilden die CNTs feinere Bündel, die eine quervernetzte Struktur aufweisen.[iii] Watanabe et al. konnte darüber hinaus zeigen, dass diese Gele erfolgreich in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren eingesetzt werden können. Insbesondere die spezifische Oberfläche der CNT-Gelelektroden war mit 654 m2×g-1 größer als die von konventionellen Kohlenstoffelektroden, was sich positiv auf die Kapazität und die Verringerung des Elektrodenwiderstandes auswirkte.[iv]
Text: Dr. Thomas J. S. Schubert, IOLITEC GmbH, 2011.
[IV D]
[i] A. Lewandowski, M. Galinski, J. Phys. Chem. Solids 2004, 65, 281; A. Lewandowski, A. Swiderska, Appl. Phys. 2006, A 82, 579-584;
[ii] S. IIjima, T. Ichihashi, Nature 1993, 363, 603.
[iii] T. Fukushima, A. Kosaka, Y. Ishimura, T. Yamamoto, T. Takigawa, N. Ishii, T. Aida, Science 2003, 300, 2072.
[iv] T. Katakabe, T. Kaneko, M. Watanabe, T. Fukushima, T. Aida, J. Electrochem. Soc. 2005, 152 (10), A1913.