Supercapacitors with Aqueous Electrolytes: What Can We Learn from In-Situ and Operando Synchrotron and Neutron Techniques?

Diese Dissertation untersucht die grundlegenden Prozesse der Bildung elektrischer Doppelschichten in Superkondensatoren mit wässrigen Elektrolyten durch die Entwicklung und Anwendung von in-situ und operando Synchrotron- sowie Neutronentechniken.
Unter Verwendung dieses breiten Spektrums komplementärer Methoden – darunter Röntgentransmission (XRT), Röntgenfluoreszenz (XRF), (anomale) Kleinwinkel-Röntgenstreuung ((A)SAXS), Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS), Röntgendiffraktion (XRD) und Neutronendiffraktion (ND) – wird ein detailliertes experimentelles Rahmenkonzept etabliert, um das Verhalten von Superkondensatoren unter Anwendungsbedingungen zu untersuchen.
Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen Erfassung und Interpretation der folgenden Aspekte von Superkondensatoren: (1) Änderungen der Ionen- und Lösungsmittelkonzentration sowie Mechanismen des Ladungsausgleichs, (2) strukturelle Veränderungen in der Elektrode während des Betriebs, (3) Benetzungseffekte, (4) lokale Um- und Anordnung von Ionen und Lösungsmittelmolekülen, (5) Dynamik des Ladevorgangs, (6) atomare Wechselwirkungen und Paarverteilungsfunktionen sowie (7) der Einfluss der Elektrodengeometrie.
Diese Phänomene werden exemplarisch anhand zweier elektrochemischer Systeme im Detail untersucht: MSP-20X-Aktivkohle Elektroden mit einem wässrigen 1 M RbBr Elektrolyten sowie Elektroden aus einer leitfähigen Ni₃(HITP)₂ metallorganischen Gerüstverbindung (MOF) mit einem wässrigen 1 M NaTFSI Elektrolyten. Für beide Systeme werden spezifisch angepasste experimentelle Ansätze entwickelt und kritisch bewertet.
Diese Arbeit liefert eine praxisnahe Anleitung für den Einsatz von in-situ- und operando-Synchrotron- sowie Neutronentechniken zur Untersuchung elektrochemischer Systeme. Der zentrale Beitrag liegt jedoch in den gewonnenen Erkenntnissen zur Ausbildung elektrischer Doppelschichten sowie zum Verhalten von Ionen und Lösungsmittel in Superkondensatoren unter Betriebsbedingungen. Indem aufgezeigt wird, wie eine Vielzahl miteinander verknüpfter Prozesse während des Lade- und Entladevorgangs abläuft, trägt diese Arbeit zu einem umfassenden und differenzierten Verständnis der Funktionsweise von Superkondensatoren mit wässrigen Elektrolyten bei, und eröffnet so neue Ansätze zu ihrer gezielten Optimierung.