Aging in electrochemical double layer capacitors : an experimental and modeling approach

Drillkens, Julia; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Krewer, Ulrike (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 93
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (179 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2017

Kurzfassung

Elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) werden in vielen verschiedenen Bereichen aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit, langen Zyklen-Lebensdauer und mechanischen Robustheit eingesetzt. Sie sind somit eine interessante Option für Anwendungen, die Bedarf an hoher Leistung bei kurzzeitig hohen Strom-Raten haben. Einsatzgebiete sind z.B. regeneratives Bremsen, Peak-Shaving in Kombination mit Batterien oder unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme wie z.B. als Back-up für Pitch-Control Systeme in Windkraftanlagen. Theoretisch speichern EDLCs die Energie rein elektrostatisch. Allerdings treten parasitäre chemische Reaktionen auf, diese sind überwiegend Temperatur- und Spannungs-getrieben und führen zu einer beschleunigten Alterung. In dieser Arbeit wurde das Alterungsverhalten verschiedener kommerziell verfügbarer EDLCs untersucht. Dazu wurden lang andauernde beschleunigte Alterungstests durchgeführt, mit einer Testdauer von teils über drei Jahren. Die kalendarischen Alterungstests zeigen einen starken Einfluss der Zellspannung und Temperatur auf die EDLC Lebensdauer. Speziell der Einfluss der Temperatur, der in dieser Arbeit beobachtet wurde, ist sogar noch stärker als die Auswirkungen, die in früheren Studien beschrieben wurden. Daraus kann geschlossen werden, dass hohe Temperaturen bzw. Hot Spots in einem EDLC-Modul sogar noch einen stärkeren Einfluss auf das Altern als erwartet haben. Allerdings deuten die Ergebnisse der kalendarischen Alterungs-Tests auf sehr komplexe Alterungsprozesse hin, die nicht einfach durch einfache Faktoren erklärt werden können. Da EDLCs Energie rein elektrostatisch speichern, könnte der Schluss gezogen werden, dass das Laden und Entladen die Lebensdauer des EDLCs nicht beeinträchtigt. Im Rahmen der zyklischen Alterungstests dieser Arbeit wurden mehr als 1.000.000 Zyklen durchgeführt. Durch den Vergleich der zyklischen Alterungs-Ergebnisse mit der erwarteten kalendarischen Alterung unter den gleichen Bedingungen wird jedoch deutlich, dass es zusätzliche Auswirkungen auf die zyklische Alterung gibt, die weiter untersucht werden müssen. Darüber hinaus nehmen Zellen in zyklischen Alterungstests in der Leistung nicht kontinuierlich ab, sondern fallen durch "Sudden Death" plötzlich aus. Diese Tatsache macht es sehr schwierig, die EDLC Lebensdauer unter zyklischem Betrieb vorherzusagen. Um ein tieferes Verständnis der komplexen Alterungsprozesse innerhalb der untersuchten EDLCs zu gewinnen, wurden Post-Mortem-Analysen an ausgewählten gealterten Zellen durchgeführt. Lasermikroskop- und SEM-Bildern zeigen signifikante Veränderungen in der Struktur der beiden Elektroden. Die negative Elektrode zeigt einen Haftungsverlust zwischen Aktivkohle und Current Collector, während die positive Elektrode an ihrer Oberfläche an Porösität verloren hat. Impedanz-Spektroskopie an Knopfzellen, die aus dem gealtertem Elektrodenmaterial aufgebaut wurden, zeigen, dass die Performance der negativen Elektrode unter dem Kontaktverlust des Aktivmaterials leidet, während die positive Elektrode das schlechte dynamische Verhalten einer gealterten Zelle dominiert. Da hohe Temperaturen die Lebensdauer von EDLCs erheblich verkürzen, müssen optimierte Systemdesign- und Kühlstrategien bei den Anwendungen berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wurde ein elektro-thermisches Modul-Modell entwickelt, das die Simulation der elektrischen Performance und des thermischen Verhaltens verschiedener Modul Konfigurationen ermöglicht. Obwohl die Alterungsmechanismen sehr komplex sind und weiter untersucht werden müssen, wurde ein erster Ansatz zur Erweiterung dieses Modells auf ein Alterungs-Modell entwickelt. Dieses Modell wird durch die Ergebnisse der beschleunigten Alterungstests parametrisiert und ist in der Lage, die gemessene Kapazitäts- und Widerstandsentwicklung während der Alterung darzustellen. Ein solches Modell ist ein nützliches Werkzeug zur Lebensdauer-Vorhersage unter den betrachteten Betriebsbedingungen und trägt zur Verbesserung des Systemdesigns bei.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik [618310]
• Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik [600000]
• Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614500]