Verbundvorhaben SUPREME - Superkondensatorentwicklung in Richtung effektiver Materialien mit erhöhter Energiedichte; Schlussbericht CEEC-FSU Jena: Elektrolytmaterialien

Abstract

Industrielle Ultrakondensatoren sind als neuartige Energiespeicher eine hochinnovative Technologie im Markt für Energiespeicher. Innerhalb des Marktes für Ultrakondensatorzellen und -module konnte jedoch innerhalb der letzten 15 Jahre keine bahnbrechende Innovation festgestellt werden. So ist die Energiedichte von Ultrakondensatoren seit dem Jahr 2004 van ca. 5 Wh kg-1 auf 6.8 Wh kg-1 angestiegen. Innerhalb der letzten 5 Jahre konnte keine nennenswerte Erhöhung der Energiedichte festgestellt werden. Die Betriebsspannung von Ultrakondensatoren hat sich seit 2004 nur geringfügig von 2.7 auf 2.85 V erhöht. Eine Erhöhung der Betriebsspannung von 2.85 auf 3.2 oder sogar 3.4 V bei gleichzeitiger Verwendung eines neuartigen Elektrodenmaterials wie gekrümmtem Graphen entspricht somit einer bisher nicht beobachteten Verdoppelung der Energiedichte. Für die Erreichung dieser Zielsetzung müssen die einzelnen Komponenten entwickelt und aufeinander abgestimmt werden, sodass die Kompatibilität der einzelnen Bestandteile gewährleistet ist. Mit den im Vorhaben entwickelten Materialien ließen sich neuartige Kohlenstoffmaterialien mittels XPS, TEMP und Raman charakterisieren, Massenbeladungen von bis zu 65 g m-2 ermöglichen, ein verbesserter Elektrolyt mit 30% geringerer Gasentwicklung unter erhöhter Spannung finden, und eine Demonstrator-Zelle mit hoher Lebensdauer bei erhöhter Temperatur erreichen. Dabei wurden gekrümmtes Graphen mit 60% erhöhter Energiedichte als Kohlenstoff und N,N-Dimethylpyrrolidiniumtetrafluoroborat (Pyr11BF4) in Acetonitril als Elektrolyt verwendet. Die Anwendung dieser Speichertechnologie in weiteren Einsatzgebieten, nichtsdestotrotz bleibt deren Weiterentwicklung notwendig um zukünftig in bei Netzstabilität oder der Elektromobilität Anwendung finden zu können.

Industrial ultracapacitors represent a highly innovative technology in the energy storage market as novel energy storage systems. However, within the market for ultracapacitor cells and modules, no groundbreaking innovations have been observed over the past 15 years. Since 2004, the energy density of ultracapacitors has increased only slightly from approximately 5 Wh kg⁻¹ to 6.8 Wh kg⁻¹. In the past five years, no significant increase in energy density has been recorded. The operating voltage of ultracapacitors has also increased only marginally from 2.7 V to 2.85 V since 2004. An increase in operating voltage from 2.85 V to 3.2 V or even 3.4 V, combined with the use of a novel electrode material such as curved graphene, would thus represent an unprecedented doubling of energy density. To achieve this objective, the individual components must be developed and coordinated with each other to ensure the compatibility of all constituent elements. Using the materials developed in this project, it was possible to characterize novel carbon materials via XPS, TEM, and Raman spectroscopy, enable mass loadings of up to 65 g m⁻², identify an improved electrolyte with 30% less gas evolution under elevated voltage, and achieve a demonstrator cell with a long lifespan at elevated temperatures. In doing so, curved graphene was used as the carbon material—yielding a 60% increase in energy density—and N,N-Dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate (Pyr₁₁BF₄) in acetonitrile was employed as the electrolyte. While this energy storage technology can already be applied in various use cases, further development remains necessary to enable future deployment in areas such as grid stability or electromobility.