In-Situ SAXS study on the ion dynamics in microporous carbon based supercapacitors

Titel in Übersetzung: In-situ SAXS Untersuchung zur Ionendynamik in mikroporösen kohlenstoffbasierten Superkondensatoren

Christian Prehal

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

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Abstract

Superkondensatoren oder elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) dienen zur effektiven Energiespeicherung. Sie bestehen ähnlich wie konventionelle Batterien aus zwei Elektroden eingetaucht in flüssigem Elektrolyten sowie metallischen Kontakten. Die Energie wird in Form der elektrischen Doppelschicht nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung elektrostatisch gespeichert. Im Unterschied zu Batterien tritt jedoch kein Ladungstransfer an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche auf. Die Spannungsabhängigkeit der sich gegenüberliegenden Ladungsmenge (Elektronen oder Löcher auf Elektrodenseite bzw. Kationen oder Anionen im Elektrolyten) führt zu der entsprechenden Kapazität. Auf Grund der extrem hohen spezifischen Oberflächen der verwendeten Elektrodenmaterialen wie z.B. Aktivkohle (bis zu 2000m2/g) und dem geringen Abstand der sich gegenüberliegenden Ladungschichten können sehr hohe Kapazitäten und Speicherdichten erreicht werden. Die durchschnittliche Porengröße in solchen Materialien liegt unter 1nm, wodurch die übliche Struktur der elektrischen Doppelschicht nicht vollständig ausgebildet werden kann. Selbst kleinste Mikroporen sind auf Grund des partiellen Verlustes der Solvationsschale der Ionen zugänglich. Dies führt unter anderem zu einem anormalen Anstieg der spezifischen Kapazität (F/m2). Die detaillierte Anordnung der Ionen und vor allem der Ionentransport und dessen Kinetik in den kleinsten Poren sind noch weitgehend unverstanden. Um den Ionentransport innerhalb der porösen Kohlenstoffstruktur näher zu untersuchen, wurden in-situ Röntgen Kleinwinkelstreuversuche an der österreichischen SAXS Beamline am Synchrotron ELETTRA in Triest durchgeführt. Während des Anlegens verschiedener Spannungssignale mit Hilfe eines Potentiostaten wurden die Streuung sowie die Transmission der Röntgenstrahlung beim Durchtritt durch eine Elektrode des Superkondensators aufgezeichnet. Neben der Entwicklung einer geeigneten in-situ Messzelle gestaltete sich besonders die Datenanalyse und Interpretation auf Grund des gleichzeitigen Auftretens verschiedener physikalischer Prozesse äußerst schwierig. Die in-Situ Experimente ermöglichten eine detaillierte Analyse des Ionentransportes in unterschiedlichen Porengrößenordnungen, abhängig von der Zellgeometrie und dem Ort der bestrahlten Elektrodenfläche. Die eigentliche Elektrosorption entspricht einem lokalen Ionentransport ausgehend von den Makroporen (>50 nm, welche als Ionenreservoir dienen) in die Meso- (2-50nm) und Mikroporen (
Titel in ÜbersetzungIn-situ SAXS Untersuchung zur Ionendynamik in mikroporösen kohlenstoffbasierten Superkondensatoren
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Paris, Oskar, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung4 Apr. 2014
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2014

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 01-10-2014

Schlagwörter

  • in-situ
  • SAXS
  • ion dynamics
  • ion kinetics
  • carbon
  • supercapacitor
  • EDLC
  • Synchrotron
  • micropores

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