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Nanotechnologie für die Umwelt

20. Dezember 2016, 9:11 Uhr | Iris Stroh

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Schwerpunkt Energiespeicher

Nanostrukturierte Zellkomponenten für reversible Energiespeicher mit verbesserter Lebensdauer (TP 2): Die Speichereigenschaften von Superkondensatoren verschlechtern sich durch Alterung. Ziel des Projekts war es, die verantwortlichen Prozesse zu identifizieren und alternative Nanomaterialien auf ihre Eignung als Aktivmaterialien in Superkondensatoren zu testen. Im TP 2 wurde die Alterung nanostrukturierter Zellkomponenten unter thermischer Beanspruchung und Spannungsüberlast an Modellsystemen und technischen Bauteilen gemessen. Als Ursache von Kapazitätsverlust und Widerstandszunahme wurden die Degradation der Elektroden und die Zersetzung des Elektrolytsystems nachgewiesen. Langzeitversuche an kommerziell erhältlichen Bauteilen bestätigten die gefundenen Alterungsmechanismen und Zersetzungsprodukte. Anhand des Ausfallverhaltens konnte zwischen Schäden durch Überspannung und thermischer Beanspruchung unterschieden werden. Neue Messmethoden und Indikatoren ermöglichen eine schnellere Abschätzung der Lebensdauer und verlässlichere Bestimmung der nutzbaren Kapazität.

Hybridkondensatoren für smart grids und regenerative Energietechnologien (TP 4): Unter Hybridkondensatoren werden elektrochemische Energiespeicher verstanden, die die Vorzüge von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien vereinen. Die Vorteile ergeben sich aus dem jeweils verwendeten Elektrodenmaterial. Der in TP 4 verfolgte Ansatz war, in Kondensatoren verwendeten Aktivkohlenstoff möglichst homogen mit dem Elektrodenmaterial einer Li-Ionen-Batterie zu beschichten. Die Beschichtungen mit den Elektrodenmaterialien LiFePO4 (LFP) und Li4Ti5O12 (LTO) konnten erfolgreich durchgeführt werden. Dabei zeigte das System mit LTO im Vergleich zur unbeschichteten Referenz eine erhöhte spezifische Speicherkapazität, während ein ähnlicher Effekt für LFP noch nicht nachgewiesen werden konnte.

Ultraschnelle elektrische Speicher auf Basis von Nanodiamantkompositen (TP 9): Superkondensatoren besitzen gegenüber Akkumulatoren i. d. R. eine geringere Energiedichte. In TP 9 wurde diesem Problem durch die Modifizierung der Elektroden begegnet. Dazu wurden dem Elektrodenmaterial Nanodiamante und Kohlenstoff-Nanozwiebeln zugesetzt, die die Speicherdichte erhöhen sollen. Es wurde nachgewiesen, dass Nanodiamante in der Elektrodenmatrix elektrochemisch aktiv sind, jedoch konnte bisher die spezifische Kapazität gegenüber Referenzelektroden ohne Nanodiamante nicht erhöht werden. Die weiteren Ergebnisse legten nahe, dass Kohlenstoff-Nanozwiebeln die elektrochemischen Eigenschaften im Vergleich zu Nanodiamanten verbessern können. Als besonders wichtig erschien dabei die Oberflächenbeschaffenheit der Kohlenstoff-Nanozwiebeln.