Lifetime assessment and degradation mechanisms in electric double-layer capacitors

Teuber, Moritz; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)

Aachen : Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) (2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 129
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xii, 150 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Elektrische Doppelschichtkondensatoren sind Energiespeicher, welche im Rahmen der erneuerbaren Energien und auch der Elektrifizierung des Transportwesens eingesetzt werden. Diese basieren auf elektrostatischer Ladungstrennung und die Eigenschaften und möglichen Anwendungen werden aktiv erforscht und entwickelt, um die Energiewende zu unterstützen. Die hohen Kosten dieser Geräte erfordern es, dass ausgeklügelte Lebensdauerbewertungen entwickelt werden, um die Nutzungsdauer zu erhöhen und so die Lebenszykluskosten zu senken und die Anwendungsbereiche zu erweitern. Heutzutage wird das Lebensende meist durch einfach Daumenregeln beschrieben. Diese berücksichtigen allerdings nicht den asymmetrischen Einfluss der Temperatur und der Spannung, wie tiefgehende Untersuchungen gezeigt haben. Daher verfolgt diese Arbeit zwei Ziele: Das Entwickeln neuer Abhängigkeiten der Lebensdauer von den Betriebsbedingungen, welche die im Vorfeld beobachteten Effekte berücksichtigen und somit eine genauere Lebensdaueranalyse ermöglichen. Hier basiert die Arbeit auf bereits teilweise existierenden Testdaten und erarbeitet neue Abhängigkeiten von verschiedenen Betriebsbedingungen. Gleichungen, welche die Lebensdauer halbierenden Faktoren in Abhängigkeit der Randbedingungen beschreiben, werden abgeleitet und als allgemeinerer Ansatz zur Lebensdauerbestimmung genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperaturerhöhung von 7 K die Lebensdauer bei Normspannung halbiert, wohingegen dieser Wert auf 5 K absinkt, wenn die Spannung um maximal 300 mV erhöht wird. Ähnliche Abhängigkeiten werden für Spannung in Abhängigkeit der Temperatur gefunden. Weiterhin zielt diese Arbeit darauf ab, das grundlegende Verständnis über ablaufende Degradationsmechanismen zu erweitern. Die einerseits beobachtete Asymmetrie der reduzierten Energiespeicherung und der andererseits reduzierten Leistungsfähigkeit werden grundlegend verstanden. Diese Beobachtungen werden möglich durch den Aufbau eines neuen Versuches, welcher Lebensdauermessungen in Abhängigkeit der Zeit als Ergebnis hat. Dies ermöglicht die Korrelation von elektrischen Parametern während der Lebensdauer und elektrochemischen und physikalischen Parametern. Die letzteren werden durch Post-Mortem-Analysen gewonnen, welche unter anderem Mikroskopie, Einzelektroden-Impedanzspektroskopie, energiedispersive und klassische Röntgenbeugung, Raman-Spektroskopie und Thermogravimetrie beinhalten. Die Ergebnisse zeigen eindeutig unterschiedliche Degradationsmechanismen für die beiden Elektroden: die positive Elektrode zeigt Deckschichtbildung, wohingegen die negative Elektrode durch Delamination und Korrosion altert. Die neugebildete Deckschicht auf der positiven Elektrode wird insbesondere untersucht und charakterisiert. Diese besteht aus einem fluorhaltigen Polymer, welches auch als Polytetrafluoroethylen (PTFE) bekannt ist. Diese Schicht ist weiterhin bis zu einem gewissen Grad für Ionen durchlässig, reduziert allerdings deutlich die Leistungsfähigkeit. Die negative Elektrode andererseits zeigt Delamination aufgrund von Stromableiterkorrosion und Binderzersetzung. Diese Bildung von PTFE und Delamination sind die Hauptursachen für die Abnahme der Energiespeicherfähigkeit. Schlussfolgernd können bisher nicht verstandene Effekte erklärt werden. Erholungseffekte, welche während Pausen in Alterungstests beobachtet werden, werden durch die noch durchlässige Deckschicht bedingt. Dies erhöht die benötigte Zeit, um Energie zu speichern, deutlich. Der Prozess des Energiespeicherns an sich ist allerdings noch möglich. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass diese Arbeit die Gründe für die asymmetrische Degradation erklärt und neue Richtlinien für die Lebensdauerabschätzung von organisch-basierten elektrischen Doppelschichtkondensatoren liefert. Die Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung von maßgeschneiderten Elektroden, um die beobachten Effekte zu negieren und die möglichen Anwendungsfelder zu erweitern. Insbesondere könnte eine asymmetrische Elektrodenauslegung das Schlüsselelement für eine längere Lebensdauer sein.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik [618310]
• Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614500]