Performance evaluation and in situ X-ray scattering of ordered mesoporous carbons for electrochemical energy storage applications

Titel in Übersetzung: Performance-Evaluierung und in situ Röntgenstreuung von geordneten mesoporösen Kohlenstoff-Materialien für elektrochemische Energiespeicher

Christian Koczwara

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In Anbetracht des Klimawandels ist es notwendig, neue Technologien zu entwickeln, die es uns ermöglichen, den ständig steigenden Energiebedarf mithilfe erneuerbarer Energiequellen zu decken. Ohne eine drastische Reduktion der Treibhausgasemissionen wird es uns nicht gelingen, angepeilte Klimaziele zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass die (Weiter-)Entwicklung der Stromproduktion alleine das Problem nicht lösen kann. Leistungsfähige Speichersysteme sind ein wichtiger Faktor, ohne den das Erreichen der gesetzten Klimaziele in weite Ferne rückt. Superkondensatoren können dabei einen wichtigen Beitrag leisten. Sie bestehen aus zwei porösen (Kohlenstoff-)Elektroden, eingetaucht in einen Elektrolyten. Diese Speichertechnologie zeichnet sich durch ihre hohe Leistungsdichte und Langlebigkeit (mehrere 100000 Ladezyklen) aus. Die Funktion basiert auf der Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Das Grundkonzept dieser Doppelschicht wirkt auf den ersten Blick sehr simpel, bei genauerer Betrachtung wird allerdings klar, wie komplex die Prozesse beim Ladevorgang wirklich sind. Im Zuge dieser Arbeit sollen genau diese Prozesse untersucht werden. Dazu wurde ein Kohlenstoff-Modell-Material mit hierarchisch geordneter Struktur verwendet. Dieses Material besitzt neben seiner gut definierten Porenstruktur auch noch einen weiteren großen Vorteil: die geordnete Struktur führt bei Kleinwinkel-Streuexperimenten zu Bragg-Reflexen. Dadurch ist es möglich Experimente durchzuführen, die mit den bisherigen (ungeordneten) Aktivkohlen nicht durchführbar waren. Mit Hilfe dieser Materialien wurden folgende drei Fragestellungen behandelt werden: •Welchen Einfluss hat die Porenstruktur auf die Kapazität bei erhöhten Laderaten? Dazu wurde eine umfangreiche Strukturanalyse und elektrochemische Charakterisierung zweier geordneter Kohlenstofftypen (geordnete Kohlenstoff-Nanozylinder und geordnete zylindrische Poren) durchgeführt. Diese Experimente haben gezeigt, dass eine hierarchische Struktur deutliche Vorteile gegenüber einer konventionellen rein mikroporösen Aktivkohle haben kann. •Ausdehnung der Elektroden: Durch die Analyse der Positionsänderung der Bragg-Reflexe während des Lade-/Entlade-Vorgangs, war es möglich, auch kleinste Ausdehnung der Elektrode zu messen. Diese Effekte sind bei Superkondensatoren deutlich kleiner als bei Li-Ionen-Akkus, sind aber trotzdem von Bedeutung. •Es wurde bereits in mehreren Versuchen gezeigt, dass in situ Röntgenkleinwinkelstreuung eine geeignete Methode zur Analyse von Ionenbewegungen ist. Allerdings sind die gemessenen Signale immer eine Kombination aus allen Komponenten, die sich im Röntgenstrahl befinden, weshalb für die Auswertung dieser Messungen zusätzliche (elektrochemische) Daten notwendig sind. Hier wurde gezeigt, dass anormale Röntgenkleinwinkelstreuung eine Messmethode ist, die ohne zusätzliche Daten elementspezifische Auswertungen ermöglicht
Titel in ÜbersetzungPerformance-Evaluierung und in situ Röntgenstreuung von geordneten mesoporösen Kohlenstoff-Materialien für elektrochemische Energiespeicher
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Sitte, Werner, Beurteiler B (intern)
  • Paris, Oskar, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Kleinwinkelstreuung
  • Superkondensator
  • Doppelschichtkonensator
  • in situ
  • anomrmale Röntgenkleinwinkelstreuung

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