Superkondensatoren mit Mischungen aus ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyte: Synergie aus Elektrochemie, NMR und Simulation

• Antragsteller: Professor Dr. Volker Presser
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465206506

Elektrochemische Energiespeicherung ist eine Schlüsseltechnologie bei der Energiewende. Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien ermöglichen die Anwendung als Elektroden für elektrische Doppelschichtkondensatoren, auch Superkondensatoren genannt. Diese zeichnen sich durch sehr schnelle Lade- und Entladeraten aus mit besonders hoher Zyklenfestigkeit aber nur mittlerer Energiespeicherkapazität im Vergleich zu etablierten Lithium-Ionen-Batterien. Ionische Flüssigkeiten erlauben als vielversprechende Elektrolyte die Zellspannung deutlich zu erhöhen, da sie über ein vergrößertes elektrochemisches Stabilitätsfenster verfügen (>3.5 V). Dieser Umstand führt direkt zu einer deutlichen Verbesserung der spezifischen Energie (Energie ~ Spannung ^2). Ionische Flüssigkeiten weisen allerdings auch eine deutlich geringere Ionenmobilität aus im Vergleich zu organischen Lösungsmitteln, welche typischer Weise als Elektrolyte eingesetzt werden. Dies ist insbesondere bei niedrigen Temperaturen ein großes Hemmnis und begrenzt die Lade- und Entladeraten von Superkondensatoren erheblich.Um eine hohe Zellspannung mit hoher Ionenmobilität zu verbinden können ionische Flüssigkeiten miteinander gemischt werden. Gemischte ionische Flüssigkeiten sind selbst bei niedrigen Temperaturen (z.T. deutlich unter dem Gefrierpunkt) noch flüssig und können noch hervorragend zur Energiespeicherung genutzt werden. Wenngleich der Nutzen von ionischen Flüssigkeiten durch experimentellen Arbeiten grundsätzlich dargelegt wurde, so fehlt das umfassende und grundsätzliche Verständnis der Mechanismen und Prozesse bei gemischten ionischen Flüssigkeiten in den nanoskaligen Poren von Kohlenstoffelektroden. Wichtige, bisher ungeklärte Fragen sind unter anderem: Wie schnell ist der Ionentransport in Nanoporen im Vergleich zum Volumen (bulk)? Welchen Einfluss haben Eigenschaften der Ionen in der ionischen Flüssigkeit (Größe, Bindung, Geometrie) auf die Lade/Entladeprozesse und deren Kinetik? Welche exakte Korrelation zwischen Ionengröße und Porengröße besteht und wie lässt sich aus diesem Wissen eine verbesserte Energiespeicherung ermöglichen?Das beantragte Polnisch-Deutsche Forschungsprojekt wird erstmals drei wichtige Methoden miteinander kombinieren und korrelieren: Elektrochemische Experimente an realen Kohlenstoffelektroden, Messungen mittels in situ Kernspinresonanz und molekulardynamische Simulationen. Grundlage sind Elektroden mit speziell für die Fragestellung angepassten Porenstrukturen und verschiedene ionische Flüssigkeiten sowie deren Mischungen. Hierdurch werden wir in der Lage sein, wichtige Eigenschaftskorrelationen zu etablieren. Die Daten werden es ermöglichen ein umfassendes Verständnis von Ionenelektrosorption sowie deren Kinetik in Kohlenstoffnanoporen in Bezug auf ionische Flüssigkeiten und deren Mischungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Dr. Svyatoslav Kondrat