Post on 16-Aug-2020
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Paul Scherrer Institut (ehem.)
Grundlagen und Anwendungen von Superkondensatoren
Forum VERA, 11. September, 2015
R. Kötz
Forum VERA, 11. Sept. 2015, Pfäffikon Schwyz2
~ 60 Jahre Superkondensator1957 - H.E. Becker US Patent 2 800 616 (General Electric), Kohle
1966 - Standard Oil Company, Cleveland (SOHIO) patentieren EDSK
1969 - SOHIO erste Versuche zur Markteinführung
1979 - NEC erstes kommerzielles Produkt (Kohle, wässerig)
1983 - SDI (Strategic Defense Initiative, “Star Wars”, Reagan), Pinnacle Ultracapacitor, RuO2 basiert(Pseudocapacitor, wässerig)
1989 - DOE, Ultracapacitor Development Program
1990 - First International Seminar on Double Layer Capacitors & Similar Storage Devices. (22 mal bis 2013)
1995 - ECS Symposium on Electrochemical Capacitors Organische Elektrolyte in Doppelschichtkondensator
2004 - 1st European Symposium on Supercapacitors & Applications (Belfort)PSI Brennstoffzellenfahrzeuge (VW, Michelin) mit Kondensatoren (Maxwell Tech.) für Leistung und Rekuperation
2010- Neue Entwicklungen: Hybrid capacitors (Li-ion Cap), Graphene, ionische Flüssigkeiten
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Definition
Elektrochemischer Doppelschicht Kondensator (EDSK) speichert die
elektrische Energie im Feld der elektrochemischen Doppelschicht
(Helmholtz Schicht 1853)
Zusätzliche Pseudokapazität von Ladungsübertragungsprozessen (Batterie)
Namen:
Supercapacitor, Supercap, Ultracapacitor, Ultracap, Powercap, GoldCap,
PowerCage, Boostcap, ..., = Elektrochemischer Doppleschicht
Kondensator
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Elektrochemische Doppelschicht
•Dicke ~ 10 Å
– Ionenradius
– Elektrolyt Konzentration
•Dielektr. konst. ~10
•Kapazität ~10 - 20 µF/cm2
•Feldstärke ~106 V/cm
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Kondensator Technologien
Konventioneller Kondensator Superkondensator
Polymer Film, Keramik Metalloxid, Elektrolyt elektrochem. Doppelschicht
Elektroden Elektroden
Die
lek
trik
um
Ele
ktr
oly
t
+ +- -
Elektroden
+ -
------
++++++
------
++++++
1
0
10
1
0
10
Abstand
1
0
10
1
0
10
1
0
10
1
0
Fe
ld
10
++++++
---
---
+++
+++
---
---
Die
lek
trik
um
Ele
ktr
oly
t
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Superkondensator
Relectrolyte Relectrode
contact
CDLCDL
Relectrode
contact
C = ee0 A
d+
Elektroden
-
---
---
+++
++
+ e 10
(2-dim. wäss. Elektrolyt)
d: Abstand: Å - nm
A: sollte gross sein:
Elektrodenmaterial mit
grosser Oberfläche
ESRCS
=> C gross, z.B. Aktivkohle
-
-
+
++
+++++
+++
------
--
--
---
--
---
++
+++
++
+++
-
- -
-
- -
--
--
--
--------
-
- -
++++
+
+++
++ +
++ +
+++
++
+++++
-
+++
+++
---
---
Ele
ktr
oly
t
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Materialien für Doppelschichtkondensatoren
Elektroden Materialien
Kohle
- Aktivkohle, up to 2000 m2 g-1
- Kohle aus Carbiden, z.B SiC
- Kohle Nanoröhren
- Kohle Aerogele
- Glasartige Kohle
- Graphen (2630 m2 g-1)
Metall Oxide- RuO2
- andere (Mn, Ni)
Leitende Polymere
- polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyacene
Elektrolyte
organisch
- Lösungsmittel: Azetonitril, Propylenkarbonat, …
- Salz:
Et4NBF4, TEABF4, LiPF6, LiBF4
Leitfähigkeit: 1 - 60 mS/cmSpannungsfenster: ca. 2.7 - 3 V
Ionische Flüssigkeiten
- EMI BF4, TFSI…
Spannungsfenster: > 3 V
wässerig- H2SO4, KOH, ...
Leitfähigkeit: 100 - 1000 mS/cmSpannungsfenster: 1 V
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EDSK Aufbau entspricht dem einer Batterie. Elektrodenwickel für kompakten Aufbau und niedrigen Innenwiderstand.
Superkondensator mit Kohlepulver – Zylindrische Anordnung
m
Aktivschicht(Kohle, Binder, Lösungsmittel)
ca. 180 mm beidseitig
0.36 F/cm2
8 mg/cm2
Current CollectorTi coated Al30 m
Stromsammlerbeschichtetes Al30 µm
Haftschicht
5 μm on both sides
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Superkondensator mit Kohlepulver – Prismatische Anordnung
EDSK Aufbau entspricht dem einer Batterie. Prismatische Anordnung für Packungsdichte und Wärmeausgleich.
1. positive Elektrode, 2. negative Elektrode,
3. Separator
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Energie und Leistung des Kondensators
Energie
W = ½ C U2 (Joul)
Nur 3/4 brauchbar, da der Kondensator nur bis 1/2 U0
entladen wird
Leistung
P = U2 / (4 R) (Watt)
bei Ri = Rload (50% Wirkungsgrad)
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Berechnungsbeispiel spez. Energie
Aktivkohle: 1500 m2/g
Spezifische Doppelschichtkapazität 10 µF/cm2
Kapazität der Einzelelektrode: 150 F/g
Nennspannung: 2.5 Volt
>>>>>>>>>>>
Doppelschicht Kondensator: 37.5 F/g Kohle
Spezifische Energie = ½ * 37.5 * 6.25 = 117.2 J/g > 32.5 Wh/kg
Nutzbare Energie (3/4) ~ 24.4 Wh/kg
Gehäuse (Faktor 3-4) ~ 7 Wh/kg
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Elektrochemische Speicher und Wandler
10001.0 10 1000.01 0.1
10
100
103
104
105
106
107
1
Sp
ezif
isch
e L
eis
tun
g (
W/k
g)
Spezifische Energie (Wh/kg)
KONDENSATOR
SUPER-
KONDENSATOR
BATTERIEN
BRENNSTOFF
ZELLEN
1 h
1 min
1 s
0.01 s
Spezifische Energie und Leistung
R. Kötz, M. Carlen, Electrochimica Acta 45 (2000) 2483–2498
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Eigenschaften des EDSK
Pro
Hohe Leistung ( > 10 kW/kg, Zeitkonstante ~ 1 sec)
Sehr gute Zyklenstabilität ( > 1’000’000 @ 100% DOD)
Einfache Bestimmung des Ladezustandes
Geringe Kosten per kW
Kon
Kleine spezifische Energie (5 - 30 Wh/kg)
Aber: Guter Energieumsatz über Lebensdauer.
Hohe Kosten per kWh
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Vergleich
J.R. Miller and A.F. Burke, The Electrochemical Society Interface • Spring 2008, p. 53
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Neue Entwicklungen und Trends für Superkondensatoren
Carbon nanotubes als Elektrodenmaterial
Bessere Leitfähigkeit und Ionendiffusion
Graphene als aktives Elektrodenmaterial
Theoretisch grösste Oberfläche: 2630 m2/g
Ionische Flüssigkeiten als Elektrolyt
Grössere Zellspannung > 3V
Hybrid Kondensatoren mit höherer Energiedichte
Externe parallele Kombination von Batterie und
Superkondensator
Eine Batterie- und eine Kondensatorelektrode
Mischung aus Batterie- und Kondensatormaterial auf beiden Elektroden
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State of the art
Source:
A. Burke, Testing L Battery Innovation Center
Brussels, Belgium,ithium Batteries and
Supercapacitors, December 8, 2014
http://mobi.vub.ac.be/wp-
content/uploads/downloads/2014/12/brussels
batlab2014.pdf
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Up to 3 x 128 Ultracapacitors per wind mill
Superkondensator Anwendungen
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Aerospace
Burst power for door opening, 16 x 56 UCs
Useful life 25 years,140.000 flight hours
BOOSTCAPs passed Airbus qualification
testing in 2004, in series production now
Almost 100k PC100 delivered
Design change to BCAP0140
Aerospace application
Superkondensator Anwendungen
Airbus 380
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Rubber Tired Gantry (RTG)
container crane
The Green type RTG with super-
capacitor is a new product from ZPMC
and is a pioneer in the world.
• It eliminates the large clouds of black smoke
produced by the diesel engines, and decreases
noise levels. This emission control thus protects
the environment
• Potential energy from container fall and from
gantry and trolley braking is stored for later use.
Thus, operating costs are sharply decreased
• The amount of installed power on the RTG can
be reduced
Superkondensator Anwendungen
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Hy-Light - Michelin/PSI Brennstoffzellen-Superkondensator Fahrzeug 2004
Superkondensator Anwendungen
Kapazität: 29 F
Leistung: 30 - 45 kW für 20 - 15 sec
SK Modul
Antriebsstrang
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Nissan Diesel
Capacitor Hybrid Truck
The 8-ton truck employs a parallel capacitor
hybrid assisted by a 55-kW synchronous
motor to a 152-kW diesel traction engine,
achieved 1.5 times fuel economy on
Japan’s M15 mode. After considerable testing
the vehicle made its debut on the market on
June 2002.
Superkondensator Anwendungen
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MAN Lion's City Hybrid 2010
Ultracapacitor storage system
The 12 modules each with 24
cells achieve a maximum
charge/discharge power of
200 kW (268 PS). The energy
content is approximately 0.4
kWh.
30% less fuel
up to 26 tons CO2 less per year
Superkondensator Anwendungen
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Green Chariot E-bus Brings Ultra-Capacitor Technology To
Europe's Gray Streets (Sofia 2014)Ultracapacitors enable the
vehicle to travel up to
20 km (12.4 miles) on a
single charge through the
use of regenerative
braking
“This is the first electric
bus on European streets
that does not require
traditional battery
charging and can cover its
whole route on a single
charge requiring just a few
minutes”
Superkondensator Anwendungen
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Superkondensator Anwendungen
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Start Stop Application since 2010
Superkondensator Anwendungen
PSA micro-hybrid technology e-Hdi
400 milliseconds required to restart the diesel engine
15% fuel savings in city driving
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2014 Mazda 6 gets 40 mpg with i-ELOOP System (5.9 l/100 km)
Superkondensator Anwendungen
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• SK sind Leistungselemente ( > 10 kW/kg ) mit extremer Zyklenstabilität ( > 1 Mio. Zykl. )
• Lade/Entladezeit im Sekundenbereich
• Energiedurchsatz (Wh x Zyklen) besser als Batterie
• Kann Batterien als Leistungsquellen und Backup Lösung ersetzen
• Unterstützt Batterien in Hybridanwendungen
• Längere Batterielebensdauer
• Kleinere Batterie
• Heute ist der Superkondensator (SK) ein technisch ausgereifter
Energiespeicher, der zu effizienter Energienutzung (Rekuperation) und
zur Reduktion von Abgasen beiträgt.
Zusammenfassung
Forum VERA, 11. Sept. 2015, Pfäffikon Schwyz28
LiteraturBooks
B.E. Conway, Electrochemical Supercapacitors, Plenum Publishing Corp., New York, 1999
F. Beguin, E. Frackowiak, Carbons for Electrochemical Energy Storage and Conversion Systems, CRC Press, Taylor & Francis Group (2010) - 529 pages
F. Béguin, E. Frąckowiak, Supercapacitors: Materials, Systems, and Applications, Wiley (2013)
Aiping Yu, Electrochemical Supercapacitors for Energy Storage and Delivery: Fundamentals and Applications, CRC Press (2013)
R. P. Deshpande, Ultracapacitors, McGraw-Hill Education, (2015), 448 pages
P. Kurzweil, O. K. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher - Superkondensatoren, Lithium-ionen-Batterien, Rechtliche Grundlagen, Springer-Verlag GmbH, 2015
Reviews
R. Kötz, M. Carlen, Principles and Applications of Electrochemical Capacitors, Electrochim. Acta, 45, 2483 (2000).
A. Burke, Ultracapacitor: why, how, and where is the technology, J. Power Sources, 91/1 (2000) 3
D. Bélanger, Thierry Brousse, and Jeffrey W. Long, Manganese Oxides: Battery Materials Make the Leap to Electrochemical Capacitors, The Electrochemical Society Interface • Spring 2008, p. 49-52
P. Simon and A. Burke, Nanostructured Carbons: Double-Layer Capacitance and More, The Electrochemical Society Interface • Spring 2008, p. 38
K. Naoi and P. Simon, New Materials and New Configurations for Advanced Electrochemical Capacitors, The Electrochemical Society Interface • Spring 2008
P. Simon, Y. Gogotsi, Materials for Electrochemical Capacitors, NATURE MATERIALS 7 (11) , 845-854 , (2008)
M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, et al. Graphene based Uötracapacitors, NANO LETTERS 8(10) 3498-3502 (2008)
D. Cericola, R. Kötz, Hybridization of rechargeable batteries and electrochemical capacitors: principles and limits, Electrochimica Acta, 72 (2012) 1-17.
G. Wang, L. Zhang, J. Zhang, A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors, CHEMICAL SOCIETY REVIEWS 41(2) , 797-828 (2012)