Energiespeicherung und -umwandlung

Superkondensatoren mit hoher Energiedichte

Superkondensatoren (auch bekannt als Ultrakondensatoren, elektrochemische Kondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren) sind elektrochemische Geräte, die Ladungen speichern und abgeben sowie hohe Leistungsdichten über kurze Zeitspannen liefern. Ihre Fähigkeit zur effizienten Speicherung und schnellen Abgabe von elektrischer Energie macht sie ideal für Anwendungen, bei denen der Bedarf nach kurzzeitigem Reservestrom sowie Leistungsspitzen kritisch sind.

Mithilfe spezieller Nanowerkstoffe haben Forscher vom NanoSystems Institute von der UCLA California „LSG-Mangan-Kondensatoren“ hergestellt, die so viel Strom wie eine Bleisäurebatterie speichern können, die „jedoch innerhalb von Sekunden wieder aufladbar sind und im Gegensatz zu den modernsten, kommerziell verfügbaren Superkondensatoren das Sechsfache speichern“.

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und die elektrochemischen Messgeräte für deren Analyse

Die Entwicklung von Superkondensatoren wie diesen erfordert gründliche elektrochemische Analysen. Metrohm Autolab bietet für diesen Zweck die passenden Geräte an.

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Anionen und Kationen mittels Ionenchromatographie

Lithium-Ionen-Batterien stellen die wichtigste Speichertechnologie für portable Anwendungen dar. Sie punkten nicht nur durch ihre hohen Zellspannnungsniveaus und ihre flexible Entladungszeit, sondern auch durch die hohe gravimetrische Energiedichte. Einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung und Optimierung der Li-Ionen-Batterien spielt der Gehalt an Ionen wie Lithium, Fluorid und Hexafluorophosphat im Elektrolyt oder in Eluaten der verschiedenen Komponenten.

940 Professional IC Vario, open

Mithilfe der Ionenchromatographie ist es möglich, verschiedene anorganische und organische Anionen und Kationen parallel und über einen breiten Konzentrationsbereich zu bestimmen. Jeder erforderliche Probenvorbereitungsschritt (Eluierung, Verdünnung, Filtration) kann mit den Metrohm Inline Sample Preparation („MISP“)-Techniken automatisiert werden. Folgende Ionen können bestimmt werden:

• Fluorid, Hexafluorophosphat, Tetrafluorborat und Lithium in Eluaten einzelner Komponenten wie Anoden, Kathoden und Trennfolien
• Fluorid, Hexafluorophosphat und Lithium in Elektrolyseflüssigkeiten

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Wasser in Li-Ionen-Batterien

Der Elektrolyt der Batterie besteht aus einer Mischung von wasserfreien, protonenfreien Lösungsmitteln und Lithiumsalzen. Li-Ionen-Batterien müssen komplett wasserfrei sein (< 20 mg/L), weil Wasser mit dem Leitsalz, z. B. LiPF6, reagiert, um Fluorwasserstoffsäure zu bilden.

Der Wassergehalt im Elektrolyt wird mittels Karl-Fischer-Coulometrie und der Ofenmethode ermittelt. Alternativ kann eine manuelle oder automatisierte Injektion mit Dosiereinheiten erfolgen. Neben dem Elektrolyten kann Wasser in allen Teilen von Li-Ionen-Batterien nachgewiesen werden – von den eingesetzten Rohstoffen und Elektrolyten bis hin zu den beschichteten Anoden- und Kathodenfolien sowie den Vorbereitungsschritten für die Elektrodenbeschichtung.

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Elektrochemische Charakterisierung von ...

... Batterien, Elektrodenmaterial und Elektrolyten

Heutzutage gibt es eine große Anzahl an Sekundärbatterien. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise neben dem weltweit am häufigsten eingesetzten Akkutyp, der Bleibatterie, auch die NiCd/NiMH-, Li-Ionen-, Metall-Luft- und Natrium-Schwefel-Akkus sowie Natrium-Nickel-Akkus, wie auch zahlreiche sich in Entwicklung befindende Technologien. Das gesamte Leistungsvermögen von Akkus wird durch die Eigenschaften der jeweils verwendeten Elektrolyten sowie des Anoden- und Kathodenmaterials bestimmt. Elektrochemische Methoden sind u.a. geeignet für:
  • Bestimmung der Strom-Spannungskenngrößen
  • Tests für Polaritätsumkehrung (Aufladung) von Akkus
  • Charakterisierung von Alterungseffekten mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS)
  • Aufzeichnung von Lade- und Entladezyklen
  • Bestimmung der Akkuleistung
  • Messung von Elektrolytwiderstand und Ladeübergangsfestigkeit (Elektrodenreaktion)
  • Bestimmung der Impulsleistung/Hochstromfähigkeit
Die Geräte von Metrohm Autolab sind nicht nur für die Charakterisierung und Entwicklung von Anoden- und Kathodenmaterialien, Separatoren, Elektrolyten und Grenzschichten bestens geeignet, sondern auch zur Bestimmung von Fe(II) und Fe(III) in Lithium-Eisen-Phosphat.

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... Superkondensatoren

Das Leistungsvermögen eines Superkondensators wird anhand der Messung seiner elektrischen Kapazität (die je nach angelegtem Potential variieren kann) sowie des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) bestimmt. Diese Parameter können durch das Aufladen eines Superkondensators bei einem konstanten Strom und die Überwachung der reaktionszeitabhängigen Änderung des Potentials (Chronopotentiometrie) gemessen werden. Dabei wird ein Potentialimpuls angelegt und das Stromansprechverhalten (Chronoamperometrie) gemessen, oder die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) kommt zum Einsatz. Was immer Sie auch messen möchten: Metrohm Autolab hat das passende Gerät dafür.

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... Brennstoffzellen

Brennstoffzellen werden als Speichersystem für chemische Energie betrachtet, die durch Oxidation von Wasserstoff oder Methan Strom erzeugen. Sie arbeiten mit einem höheren Wirkungsgrad als Wärmekraftmaschinen und produzieren kein Kohlendioxid. Brennstoffzellen unterscheiden sich von Akkus darin, dass sie eine konstante Brennstoffquelle zur Aufrechterhaltung der chemischen Reaktion benötigen. Solange der Brennstoff zur Verfügung steht, wird Strom produziert.

Es gibt sehr unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen: alkalische (AFC), Polymer-Elektrolytmembran (PEMFC)-, Direktmethanol (DMFC)-, Phosphorsäure (PAFC)-, Schmelzkarbonat (MCFC)- sowie Festoxid (SOFC)-Brennstoffzellen.

Die Charakterisierung von Brennstoffzellen schließt neben der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) auch die Polarisierungs- und Leistungsdichtekurven der Zelle ein, um die optimalen Betriebsbedingungen aufzuzeigen.

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Testimonial

"Wir verwenden Geräte von Metrohm seit 10 Jahren ... ohne irgendein Problem."

Prof. S. Basu, Dept. of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology, Delhi