DE10053276C1 - Elektrochemischer Kondensator - Google Patents

Elektrochemischer Kondensator

Info

Publication number
DE10053276C1
DE10053276C1 DE10053276A DE10053276A DE10053276C1 DE 10053276 C1 DE10053276 C1 DE 10053276C1 DE 10053276 A DE10053276 A DE 10053276A DE 10053276 A DE10053276 A DE 10053276A DE 10053276 C1 DE10053276 C1 DE 10053276C1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrode
electrolyte
electrochemical capacitor
capacitor according
elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE10053276A
Other languages
English (en)
Inventor
Cornelius Haas
Mathias Boehmisch
Werner Scherber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dornier GmbH
Original Assignee
Dornier GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dornier GmbH filed Critical Dornier GmbH
Priority to DE10053276A priority Critical patent/DE10053276C1/de
Priority to PCT/DE2001/003969 priority patent/WO2002035564A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10053276C1 publication Critical patent/DE10053276C1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/56—Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Kondensator aus einer Einzelzelle oder einem Stapel von Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle eine Elektrode (10) und eine Gegenelektrode (20) aus einem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Material sowie einen Elektrolyten (13) umfasst. Der erfindungsgemäße Kondensator weist die folgenden Merkmale auf: DOLLAR A - die Elektrode (10) ist aus einem nanostrukturierten Film gebildet, bei dem nanostrukturierte diskrete, nadelförmige Elemente (12) auf einer Oberfläche (11) elektrisch leitfähig verankert sind, DOLLAR A - der Elektrolyt (13) ist als Dünnfilmelektrolyt ausgebildet, der die Elektrode (10) schichtförmig überzieht und einen elektronischen Kontakt zwischen Elektrode (10) und Gegenelektrode (20) verhindert; DOLLAR A - die diskreten, nadelförmigen, mit dem Elektrolyt (13) überzogenen Elemente (12) sind in der Gegenelektrode (20) eingebettet. DOLLAR A Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kondensators ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Kondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektrochemische Kondensatoren, in der Literatur auch als Doppelschichtkondensa­ toren oder Superkondensatoren bezeichnet, sind elektrochemische Energiespeicher, die sich gegenüber Batterien durch eine deutlich höhere Leistungsdichte, gegenüber konventionellen Kondensatoren durch eine um Größenordnungen höhere Energie­ dichte auszeichnen. Sie beruhen auf der potentialgesteuerten Ausbildung von Helmholtz-Doppelschichten und/oder elektrochemischen Redoxreaktionen hoher Ladungskapazität und Reversibilität an elektrisch leitfähigen Elektrodenoberflächen in geeigneten Elektrolyten. Vorrangige potentielle Einsatzgebiete mit besonderer wirtschaftlicher Bedeutung liegen beispielsweise in den Bereichen Elektrotraktion (Kraftfahrzeuge) und Telekommunikation. Hierbei kann durch Abfangen von Leis­ tungsspitzen die Nennleistung der primären Energiequelle reduziert, die Lebensdauer und Reichweite verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems wesentlich verbessert werden.
Zur Herstellung der Superkondensator-Elektroden haben sich die auf Aktivkohlen­ stoffen basierenden Werkstoffkonzepte durchgesetzt (BET-Oberflächen bis zu 2000 m2/g), denen in Kombination mit organischen Elektrolyten hinsichtlich Leistungs­ daten und Kosten derzeit das größte Marktpotential zugeschrieben wird. Es existie­ ren erste Produkte im Kleinserienstadium, die Energiedichten von etwa 3 Wh/kg erreichen, z. B. WO 98/15962 A1. Des weiteren existieren eine Vielzahl von Konzep­ ten zur Herstellung dieser Aktivkohlenstoff-Superkondensatoren bzw. deren Elektro­ den, z. B. EP 0 712 143 A2, DE 197 24 712 A1. Typischerweise lassen sich hier maximal 50 bis 100 Farad Kapazität pro Gramm des aktiven Elektrodenmaterials erreichen. Zur Anwendung als Spitzenlastspeicher ist bei diesen Elementen jedoch das Verhältnis aus Nutzenergie und Speichergewicht vielfach noch zu klein, um in realen Anwendungen ökonomisch sinnvoll zum Einsatz zu kommen. Die Optimierung der Leistungsdaten kann sowohl über den Kondensatoraufbau (Stapeldesign) als auch über die eigentlichen Kondensatorelektroden (Oberflächenstrukturen und Materialien) erfolgen.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Superkondensators gemäß Stand der Technik mit den Aktivkohleelektroden 1, 2, dem porösen Separator 3 und den elektronischen Kontaktierungen 4, 5. Das gesamte System ist mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt. Die Fig. 2 zeigt das zugehörige Ersatzschaltbild. Es wird das Ausbilden von Helmholtz-Kapazitäten an einer großen geometrischen Oberfläche der beiden Aktivkohleelektroden ausgenutzt (bis zu 2000 m2/g), so dass sich die Gesamt­ kapazität Cges aus der Reihenschaltung der einzelnen Elektrodenkapazitäten C1 und C2 ergibt. Die Grenzfrequenz des Kondensators wird im wesentlichen durch das Produkt aus Cges und der Summe der designabhängigen ohmschen Verlustwiderstän­ de bestimmt.
Der Kontaktwiderstand der Elektroden zum Stromabnehmer des Kondensatorgehäu­ ses ist durch RC gegeben, die elektronische Leitfähigkeit der Elektrode selbst durch REl. Der Elektrolytwiderstand RES wird durch die Leitfähigkeit des Elektrolyten in den Poren der Elektroden bestimmt, während der Separatorwiderstand RSEP die Elektro­ lytleitfähigkeit im Separatorbereich darstellt und im wesentlichen eine Funktion der Porosität und der Dicke des Separators ist. Zur Minimierung der Verlustwiderstände werden somit ein Elektrodenmaterial guter elektronischer Leitfähigkeit und Kontak­ tierbarkeit, ein Elektrolyt mit guter ionischer Leitfähigkeit sowie ein dünner Separator hoher Porosität benötigt.
Aktivkohlematerialien weisen zwar eine extrem hohe poröse Oberfläche auf, aber die Verteilung der Porengrößen ist sehr breit und erstreckt sich hinunter bis in den Bereich ≈ 1 nm. Da typische Helmholtz-Schichtdicken selbst bei bis zu 2 nm liegen, kann bei diesem Elektrodenmaterial die Helmholtz-Speicherschicht nicht vollständig an der tatsächlich vorhandenen Oberfläche ausgebildet werden.
Die typischerweise eher schwammartige Geometrie von Aktivkohlematerialien wirkt sich zusätzlich auch nachteilig auf das Frequenzverhalten der Kapazität aus. Denn sie ist für den Elektrolyten gleichbedeutend mit relativ langen und engen Wegen und daher zwangsläufig mit einem relativ hohen Elektrolytwiderstand REL verknüpft. Dies führt zu einer Herabsetzung der Grenzfrequenz des Gesamtbauteiles, d. h. bereits bei moderaten Frequenzen (typischerweise etwa 1 Hz) sind nur noch Bruchteile der bei Gleichspannung verfügbaren Elektrodenkapazität nutzbar.
Neben der bereits beschriebenen negativen Auswirkung auf das Frequenzverhalten bewirkt ein großer ohmscher Widerstand auch dissipative Verluste, die durch die einher gehende thermische Belastung des Bauteiles dessen Einsatzmöglichkeiten noch weiter einschränken bzw. bei entsprechenden konstruktiven Maßnahmen (Kühlbleche etc.) die nutzbare massen- wie auch volumenbezogene Energiespei­ cherdichte drastisch reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Kondensator zu schaffen, der eine deutliche Reduzierung der Gesamtheit der Verlustwiderstände ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsge­ mäßen Kondensators sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Kondensator weist eine elektrisch leitfähige oder halbleitende Elektrode auf, die aus einem nanostrukturierten Film gebildet ist, bei dem nanostrukturierte diskrete, nadelförmige Elemente auf einer Oberfläche elektrisch leitfähig verankert sind. Nanostrukturiertes Element im Sinne der vorliegen­ den Erfindung bezeichnet dabei eine Materialstruktur mit Abmessungen wenigstens einer Strukturdimension im Nanometerbereich (< 1 µm).
Der Elektrolyt liegt als Dünnfilmelektrolyt vor, der die Oberfläche der nanostrukturier­ ten Elektrode, insbesondere die Oberfläche der nadelförmigen Elemente, schichtför­ mig überzieht.
Die diskreten, nadelförmigen, mit dem Elektrolyt überzogenen Elemente sind in der Gegenelektrode eingebettet.
Der erfindungsgemäße Kondensator weist somit eine Interdigitalstruktur auf. Elektro­ de und Gegenelektrode greifen ineinander. Der Dünnfilmelektrolyt füllt den gesamten Zwischenraum zwischen Elektrode und Gegenelektrode aus. Es wird somit ein Superkondensator mit geometrisch deutlich verkürzten Ladewegen und verringerten ohmschen Verlustwiderstände ermöglicht.
Der Elektrolyt übernimmt die Funktion eines geometrischen Separators und verhin­ dert gleichzeitig einen elektronischen Kontakt zwischen Elektrode und Gegenelektro­ de. Somit kann auf den mechanischen porösen Separator gemäß den bekannten, oben erwähnten Kondensatoren verzichtet werden.
Der Elektrolyt ist bevorzugt als gel-artiger oder fester Dünnfilm ausgebildet. Die Schichtdicke des Elektrolyten ist in vorteilhaften Ausführungen nicht größer als 1 µm, bevorzugt nicht größer als 100 nm, insbesondere nicht größer als 50 nm.
Der Dünnfilmelektrolyt muss einerseits die beiden Kondensatorelektroden elektro­ nisch voneinander trennen (elektronischer Isolator) andererseits eine hohe ionische Leitfähigkeit besitzen und mit geeigneten mobilen ionischen Ladungsträgern dotiert sein, welche zum Ausbilden von Helmholtz-Doppelschichten an den Elektrodenober­ flächen benötigt werden.
Hierfür können spezielle organische oder anorganische ultradünne Schichten eingesetzt werden, welche sich in den letzen Jahren zu einem Schwerpunkt bei der Entwicklung nanostrukturierter Materialien entwickelt haben. Bei der Beschichtung können oftmals einfache Selbstorganisationsverfahren (z. B. Self-Assembled- Monolayers, SAMs) ausgenutzt werden, womit das Aufbringen dieser Monoschichten durch einfaches Eintauchen des Substrats in die entsprechende Lösung erfolgt.
Eine wichtige Erweiterung dieses Selbstorganisationskonzepts besteht in der Ab­ scheidung kationischer oder anionischer Polyelektrolyte (Polymerketten mit ionisch dissoziierbaren Gruppen, Ionic Self Assemlbling Monolayers, ISAMs) aus wässrigen Lösungen [G. Decher, Science 277, 1232 (1997)]. Während bei den SAMs die Anbindung der Moleküle über Chemisorption (z. B. Thiol-Gruppe-Substrat, kova­ lente Bindung) erfolgt, wird dieser Mechanismus hier vorteilhaft durch Physisorption, also rein elektrostatische Wechselwirkungen bestimmt. Dieser Ansatz erlaubt somit entscheidende Vorteile beim Aufbau von Vielschichtsystemen (Abwechseln positiver und negativer Polyelektrolyte, sogenannte layer-by-layer Technik) und stellt das allgemeinere Konzept zur Synthese supramolekularer Architekturen dar. Beispiels­ weise wird in G. Decher, Adv. Mater. 9, 61 (1997) gezeigt, wie aus wässriger Lösung negativ ladungsstabilisierte Gold-Kolloide über elektrostatische Wechselwirkung an eine kationische Polyelektrolytschicht deckend aufgebracht werden können und danach wiederum mit einer kationische Polyelektrolytschicht bedeckt werden können (Sandwich-Multilayer-Struktur).
Die Schichten zeichnen sich durch äußerst geringe Defektdichte aus, und die Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer sind einfach über Konzentration, Kettenlängen oder Aktivitäten der Endgruppen steuerbar.
In jüngsten Untersuchungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Polyelektrolytschichtsysteme [Han et al. Electrochimica Acta 45, 845 (1999)] werden sehr gute ionische Leitfähigkeit sowie Dotierbarkeit mit ionischen Ladungs­ trägern (elektrostatische Wechselwirkung) als auch verschwindende elektronische Leitfähigkeit nachgewiesen. Das Schichtsystem kann durch einfaches Eintauchen in entsprechende wässrige Lösungen aufgebracht werden und ist damit ein bevorzug­ tes Ausführungsbeispiel für einen Dünnfilmelektrolyt in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Kondensator.
Die Machbarkeit von SAMs als nur wenige Nanometer dickes Dielektrikum für Kondensatoren wird erstmals in Rampi et al. Appl. Phys. Lett. 72, 1781 (1998) nachgewiesen. Dabei werden zwei Monolayer als Dielektrikum (dicke ca. 9 nm) zwischen zwei Quecksilbertropfen als Kondensatorelektroden eingebracht, die Dielektrizität dieses Materials sowie die Durchschlagsfeldstärke bestimmt und Fehlstellenfreiheit (d. h. Kurzschlussfreiheit) eindrucksvoll nachgewiesen.
Es sei an dieser Stelle deutlich darauf hingewiesen, dass das oben beschriebene Polyelektrolytschichtsystem nicht die Rolle eines elektronisch isolierenden Dielektri­ kums im dielektrischen Kondensator übernimmt, sondern die Rolle eines ionisch dotierten Dünnfilmelektrolyten in einem elektrochemischen Kondensator.
Die erfindungsgemäße nanostrukturierte Elektrode aus einem Film mit nadelförmigen Elementen weist eine große effektive Oberfläche zur Ausbildung der Helmholtz- Speicherschicht auf. Deren Größe an einer ebenen metallischen Oberfläche beträgt im wässrigen Elektrolyten typischerweise etwa 40 µF/cm2. Die Flächendichte der nanostrukturierten nadelförmigen Elemente liegt bevorzugt im Bereich von 1-500 pro µm2, deren Durchmesser bevorzugt im Bereich von 15-500 nm, womit z. B. für metallische Strukturen die notwendige Materialstabilität gewährleistet wird. Das Aspektverhältnis (Verhältnis zwischen Höhe und mittlerem Durchmesser) der na­ nostrukturierten nadelförmigen Elemente ist in vorteilhaften Ausführungen größer als 20. Die nanostrukturierten diskreten nadelförmigen Elemente können entweder als Vollzylinder, als Hohlzylinder (Röhrchen) oder als Vollzylinder mit innerer schwamm­ artiger Porosität zu einer zusätzlichen Oberflächenvergrößerung vorliegen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Superkondensators liegt darin, dass der nanostrukturierte Elektrodenfilm über geeignete Herstellungsverfahren aus beliebigen halbleitenden oder leitfähigen Materialien wie Metallen, Edelmetallen, Galvanome­ tallen (galvanisch abscheidbare Metalle), insbesondere Nickel, Gold oder leitfähigen Polymeren erzeugt werden kann.
Die Herstellung der Trägerfolie der Elektrode und hierauf das Wachstum der na­ nostrukturierten Elemente kann bei Einsatz elektrochemischer Abscheidung in einem Arbeitsschritt erfolgen. Die Dicke der Trägerfolie ist dabei vorteilhaft zwischen 1 und 20 µm einzustellen. Damit wird die elektrische Leitfähigkeit, Kontaktierbarkeit und auch die mechanische Stabilität zum Aufbau einer Superkondensator-Einzelzelle bzw. Stapels garantiert.
Im Gegensatz zu den bekannten schwammartigen Elektrodenstrukturen erlaubt die diskrete - bevorzugt regelmäßige - Anordnung der nanostrukturierten Elemente der Elektrode ein schnelleres und vollständiges Ausbilden der Helmholtz-Schichten an der vorhandenen Oberfläche und damit eine deutliche Verbesserung der Leistungs­ charakteristik.
Einige Metalloxide (z. B. RuO2) oder leitfähige Polymere erlauben in geeigneten Elektrolyten eine Energiespeicherung durch an der Oberfläche ablaufende Redox­ reaktionen. Die Umladung solcher Redoxsysteme an der Elektrodenoberfläche führt neben der Ausbildung der Helmholtz-Doppelschicht zu einer zusätzlichen Elektroden­ kapazität (Pseudokapazität). Diese Eigenschaft kann bei der Elektrode der vorlie­ genden Erfindung entweder durch eine dünne (< 10 nm) Beschichtung mit einem entsprechenden Redoxsystem (z. B. RuO2) oder durch direkte Bildung der nano­ strukturierten Elemente aus eben diesem Material erreicht werden.
Zum Aufbau des Stapels werden die Einzelzellen aufeinander gestapelt. Somit entsteht über die leitfähigen Elektrodenfilme eine Reihenschaltung einzelner Kon­ densatorelemente ohne zusätzliche Kontaktierschritte.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines klassischen Superkondensators gemäß Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert;
Fig. 2 das Ersatzschaltbild eines Superkondensators, wie in der Beschreibungsein­ leitung erläutert;
Fig. 3 die Prinzipskizze einer regelmäßig nanostrukturierten metallischen Dünn­ schichtelektrode eines erfindungsgemäßen Superkondensators;
Fig. 4 REM-Aufnahme einer Ausführungsform einer regelmäßig nanostrukturierten metallischen Dünnschichtelektrode eines erfindungsgemäßen Superkonden­ sators;
Fig. 5 Prinzipskizze zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Superkondensators.
Fig. 3 zeigt eine Elektrode, wie sie in dem erfindungsgemäßen Superkondensator eingesetzt wird. Sie besteht in dieser Ausführung aus einer freitragenden Folie 11 und hierauf verankerten nanostrukturierten, diskreten Elementen 12, die nadelförmig ausgebildet sind. Diskret im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass es sich um voneinander getrennte Elemente mit jeweils eigener Struktur handelt, also nicht um miteinander verbundene Elemente, wie dies z. B. bei einer schwammartigen Struktur der Fall ist.
Fig. 4 zeigt die REM-Aufnahme einer Elektrode für den erfindungsgemäßen Super­ kondensator. Sie besteht aus einer freitragenden Metall-Folie 11 und hierauf veran­ kerten nanostrukturierten metallischen Elementen 12. Die nanostrukturierten nadel­ förmigen Elemente sind in dieser Ausführung im wesentlichen senkrecht zur Ober­ fläche der Folie orientiert und gleichmäßig über die Oberfläche der Folie verteilt.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Herstellung eines erfindungsgemäßen Superkondensators mit Interdigitalstruktur. Man geht aus von einer nanostrukturier­ ten, insbesondere metallischen Elektrode 10 mit diskreten, nadelförmigen Elementen 12, die bevorzugt regelmäßig angeordnet sind. Auf die Oberfläche der Elektrode 10, insbesondere auf die nadelförmigen Elemente 12, wird der Dünnfilmelektrolyt 13 mittels Tauchbeschichtung aufgebracht. Als Elektrolyt 13 kann z. B. ein Polyelektrolyt eingesetzt werden. Der Abstand der nadelförmigen, nanostrukturierten Elemente 12 ist so eingestellt, dass nach der Polyelektrolyt-Beschichtung die verbleibenden Zwischenräume mit einem Metall aufgefüllt werden können, so dass sich eine leit­ fähige, zusammenhängende Gegenelektrode 20 ergibt. Die Gegenelektrode füllt somit die Zwischenräume zwischen den nadelförmigen Elementen 12 vollständig aus. Die nadelförmigen Elemente 12 erstrecken sich in das Material der Gegenelekt­ rode hinein und sind allseitig (mit Ausnahme an ihrer Basisfläche) von dieser umge­ ben. Die Kontaktierung von Elektrode 10 und Gegenelektrode 20 erfolgt über ent­ sprechende stromleitenden Kontakte 15, 16. Wie man aus der Fig. 5 gut erkennen kann, nimmt die Elektrolytschicht 13 den gesamten Zwischenraum zwischen Elektro­ de und Gegenelektrode ein. Es ergeben sich gegenüber den Kondensatoren nach dem Stand der Technik wesentlich verringerte Ladewege. Ein zusätzlicher mechani­ scher Separator wird nicht benötigt.
Im nachfolgenden Beispiel wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Konden­ sators im Labormaßstab beschrieben. Im großtechnischen Maßstab können prinzi­ piell ähnliche Methoden zur Anwendung kommen.
Beispiel
Bei der anodischen Oxidation eines Aluminiumsubstrats entsteht ein nanoporöser Oxidfilm mit parallelen, durchgehend zylinderförmigen und senkrecht zur Substrat­ oberfläche ausgerichteten Poren. Die Porendurchmesser können im Bereich von 15-500 nm, die Flächendichte der Poren von ca. 1 bis 500 pro µm2, und die Poren­ länge bis zu 100 µm eingestellt werden. Der Oxidfilm wird vom Aluminiumsubstrat abgelöst, so dass eine keramische nanoporöse Filtermembran entsteht. Diese Membran wird auf einer Seite mit einem metallischen Film als Kontaktelektrode bedampft. Die Filmdicke wird so gewählt, dass die Oxidporen verschlossen werden. Zur Erzeugung nanostrukturierter Gold-Elemente auf einem Gold-Film wird die bedampfte Membran kontaktiert und in ein galvanisches Goldbad eingebracht. Bei galvanischer Abscheidung werden einerseits die Oxidporen von der aufgedampften Grundelektrode her mit den gewünschten nanostrukturierten Elementen aufgefüllt, andererseits wird die Grundelektrode zu einem metallischen Film im Mikrometerbe­ reich aufgedickt. Anschließend kann die Oxidkeramik nasschemisch selektiv abge­ beizt werden, so dass der gewünschte Elektrodenfilm mit leitfähig angebundenen nanostrukturierten Gold-Elementen entsteht.
Die Gold-Elektrode wird in heißem Ethanol/Chloroform (1 : 1) gereinigt, in Wasser gespült und getrocknet und anschließend durch Eintauchen in eine Aminoethanthi­ ol/Ethanol-Lösung mit einem SAM beschichtet, welcher in neutralen und wässrigen Lösungen eine positive Oberflächenladung trägt [Han et al. Electrochimica Acta 45, 845 (1999)]. Dann wird durch abwechselndes Eintauchen in eine wässrige Na-PSS- Lösung (+NaCl) Spülen und Eintauchen in eine wässrige PAH-Lösung (+NaCl) ein Polyelektrolytschichtsystem aus anionischen und kationischen Polyelektrolytschich­ ten aufgebracht. Die Schichtdicke kann durch die Anzahl der Schichten bis auf ca. 10 nm eingestellt werden. Für die weitere Beschichtung ist es vorteilhaft, mit einer kationischen Polyelektrolytschicht abzuschließen.
Die Dotierung des somit gebildeten Dünnfilmelektrolyten erfolgt durch elektrostati­ sche Einlagerung geeigneter Ionen, welche in die Elektrolytschicht aus wässriger Lösung eindiffundieren können, z. B. Fe(CN)6 4 (Han et al. s. o.)
Zum Bilden der Gegenelektrode empfiehlt es sich, auf die letzte kationische Poly­ elektrolytschicht negativ ladungsstabilisierte Goldkolloide (s. o.) aufzubringen. Diese Kolloide mit einem ausreichend kleinen Durchmesser (< 10 nm) dienen dann als Keimzellen für die nachfolgende stromlose Metallabscheidung auf den Dünnfilmelekt­ rolyten. Es wird der verbleibende Zwischenraum mit Gold aufgefüllt, so dass eine zusammenhängende metallische Gegenelektrode entsteht.
Das so beschriebene Beispiel verwendet Gold als Elektrodenmaterial, analoge Verfahren sind aber auch für Nickel und andere stromlos abscheidbaren Metalle möglich.

Claims (14)

1. Elektrochemischer Kondensator aus einer Einzelzelle oder einem Stapel von Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle eine Elektrode (10) und eine Gegenelektro­ de (20) aus einem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Material sowie einen Elektrolyten (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - die Elektrode (10) aus einem nanostrukturierten Film gebildet ist, bei dem nanostrukturierte diskrete, nadelförmige Elemente (12) auf einer Oberfläche (11) elektrisch leitfähig verankert sind,
  • - der Elektrolyt (13) als Dünnfilmelektrolyt ausgebildet ist, der die Elektrode (10) schichtförmig überzieht und einen Kontakt zwischen Elektrode (10) und Gegenelektrode (20) verhindert;
  • - die diskreten, nadelförmigen, mit dem Elektrolyt (13) überzogenen Elemente (12) in der Gegenelektrode (20) eingebettet sind.
2. Elektrochemischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Elektrolyten (13) nicht größer als 1 µm, bevorzugt nicht größer als 100 nm, insbesondere nicht größer als 50 nm ist.
3. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (13) aus einem gel-artigen Ionenleitermaterial besteht.
4. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (13) aus einem Festkörper- Ionenleitermaterial besteht.
5. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einem Schichtsystem anioni­ scher und/oder kationischer Polyelektrolyte besteht.
6. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (13) mit beweglichen ionischen Ladungsträgern dotiert ist.
7. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte der nanostrukturierten Ele­ mente (12) der Elektrode (10) zwischen 1 und 500 pro µm2 liegt.
8. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) ein Aspektverhältnis größer als 20 aufweisen.
9. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elekt­ rode (10) einen Durchmesser zwischen 15 und 500 nm aufweisen.
10. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) als Hohlzylinder oder Vollzylinder ausgebildet sind.
11. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) eine innere Porosität aufweisen.
12. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) mit einem Redox-Material beschichtet sind oder vollständig aus diesem Material bestehen.
13. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Kondensators nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
- Aufbringen der Elektrolytschicht (13) auf die nanostrukturierte Elektrode (10) durch Tauchbeschichtung;
  • - Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den diskreten, nadelförmigen, mit dem Elektrolyt (13) überzogenen Elementen (12) der Elektrode (10), so dass eine zusammenhängende Gegenelektrode (20) entsteht.
DE10053276A 2000-10-27 2000-10-27 Elektrochemischer Kondensator Expired - Fee Related DE10053276C1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10053276A DE10053276C1 (de) 2000-10-27 2000-10-27 Elektrochemischer Kondensator
PCT/DE2001/003969 WO2002035564A1 (de) 2000-10-27 2001-10-17 Elektrochemischer kondensator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10053276A DE10053276C1 (de) 2000-10-27 2000-10-27 Elektrochemischer Kondensator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10053276C1 true DE10053276C1 (de) 2002-01-10

Family

ID=7661246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10053276A Expired - Fee Related DE10053276C1 (de) 2000-10-27 2000-10-27 Elektrochemischer Kondensator

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10053276C1 (de)
WO (1) WO2002035564A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10331885A1 (de) * 2003-07-14 2005-02-10 Aesculap Ag & Co. Kg Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem
EP1738378A2 (de) * 2004-03-18 2007-01-03 Nanosys, Inc. Auf nanofaseroberflächen basierende kondensatoren
WO2010114600A1 (en) * 2009-04-01 2010-10-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University All-electron battery having area-enhanced electrodes
US8802287B2 (en) 2009-01-16 2014-08-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Quantum dot ultracapacitor and electron battery
DE102013104396A1 (de) * 2013-04-30 2014-10-30 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Elektrochemische Speichervorrichtung
DE102015107982A1 (de) 2015-05-20 2016-11-24 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Superkondensatoren mit ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren und Verfahren zu deren Herstellung

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3011671A1 (fr) * 2013-10-04 2015-04-10 Thales Sa Collecteur de courant pour supercapacite

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0712143A2 (de) * 1994-11-02 1996-05-15 Japan Gore-Tex, Inc. Elektrischer Doppelschichtkondensator und Verfahren zur Herstellung einer Elektrode dafür
WO1998015962A1 (en) * 1996-10-07 1998-04-16 Maxwell Technologies, Inc. Multi-electrode double layer capacitor
DE19724712A1 (de) * 1997-06-11 1998-12-17 Siemens Ag Doppelschichtkondensator

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5062025A (en) * 1990-05-25 1991-10-29 Iowa State University Research Foundation Electrolytic capacitor and large surface area electrode element therefor
US5747180A (en) * 1995-05-19 1998-05-05 University Of Notre Dame Du Lac Electrochemical synthesis of quasi-periodic quantum dot and nanostructure arrays
SE9800035D0 (sv) * 1998-01-09 1998-01-09 Lionel Vayssieres Process for producing thin metal oxide films on substrates

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0712143A2 (de) * 1994-11-02 1996-05-15 Japan Gore-Tex, Inc. Elektrischer Doppelschichtkondensator und Verfahren zur Herstellung einer Elektrode dafür
WO1998015962A1 (en) * 1996-10-07 1998-04-16 Maxwell Technologies, Inc. Multi-electrode double layer capacitor
DE19724712A1 (de) * 1997-06-11 1998-12-17 Siemens Ag Doppelschichtkondensator

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Decher,G.: Fuzzy Nanoassemblies: Toward hayered Polimerich Multicomposites. In: Science V. 277 29. Aug. 1997, S. 1232ff *
Hau,S.: [u.a.] Electrochemistry at ultrathin polyelectrolyte films self-assembed at planer gold electrodes. In: Electrochemica Acta 45 (1995)S. 845-853 *
Schmitt,J. [u.a.]: Metal Nanoparticle/Polymer Superlattice Films: Fabrication and Control of hayer Structure. In: advanced Materials, 1997, 9, No. 1, S. 61ff *
Schueller,O. [u.a.]: Alkanthelol self-assembled monolayers as the dielectric of capacetors with nanoscale thickness In: Applied Physics letters, Vol. 72 No. 14 1998, S. 1781ff *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10331885A1 (de) * 2003-07-14 2005-02-10 Aesculap Ag & Co. Kg Markierelement für ein chirurgisches Navigationssystem
EP1738378A2 (de) * 2004-03-18 2007-01-03 Nanosys, Inc. Auf nanofaseroberflächen basierende kondensatoren
EP1738378A4 (de) * 2004-03-18 2010-05-05 Nanosys Inc Auf nanofaseroberflächen basierende kondensatoren
USRE43868E1 (en) 2004-03-18 2012-12-25 Nanosys, Inc. Nanofiber surface based capacitors
US8802287B2 (en) 2009-01-16 2014-08-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Quantum dot ultracapacitor and electron battery
WO2010114600A1 (en) * 2009-04-01 2010-10-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University All-electron battery having area-enhanced electrodes
US8524398B2 (en) 2009-04-01 2013-09-03 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University All-electron battery having area-enhanced electrodes
DE102013104396A1 (de) * 2013-04-30 2014-10-30 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Elektrochemische Speichervorrichtung
DE102015107982A1 (de) 2015-05-20 2016-11-24 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Superkondensatoren mit ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren und Verfahren zu deren Herstellung
WO2016185002A1 (de) 2015-05-20 2016-11-24 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Superkondensatoren mit ausgerichteten kohlenstoffnanoröhren und verfahren zu deren herstellung
US10510494B2 (en) 2015-05-20 2019-12-17 Deutsches Zentrum Fur Luft-Und Raumfahrt E.V. Supercapacitors with oriented carbon nanotubes and method of producing them
DE102015107982B4 (de) 2015-05-20 2021-12-09 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Herstellung von Superkondensatoren mit ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002035564A1 (de) 2002-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69832537T2 (de) Fibrilkompositelektrode für elektrochemische kondensatoren
DE112010002700T5 (de) Nanostrukturierte flexible Elektroden und Energiespeichereinrichtungen,welche diese verwenden
DE19525143A1 (de) Elektrolytkondensator, insbesondere Tantal-Elektrolytkondensator
DE102010029282A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtbatterie
DE112012004734T5 (de) Elektrode für eine elektrische Speichervorrichtung, elektrische Speichervorrichtung und Herstellungsverfahren einer Elektrode für eine elektrische Speichervorrichtung
DE112011102970T5 (de) Nanostrukturierte Elektrode zur pseudokapazitiven Energiespeicherung
WO2010092059A1 (de) Leistungs- und energiedichteoptimierte flächenelektroden für elektrochemische energiespeicher
KR20100101885A (ko) 전이금속산화물 코팅층을 가지는 금속 전극의 제조 방법 및그에 의해 제조된 금속 전극
DE102015120879A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Silizium-basierten porösen Elektrode für eine Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie
WO2006012890A1 (de) Elektrolytlösung für doppelschichtkondensatoren und doppelschichtkondensator mit der elektrolytlösung
EP1586100A1 (de) Elektrode für eine elektrochemische zelle, elektrodenwickel, elektrochemische zelle und verfahren zur herstellung
DE10053276C1 (de) Elektrochemischer Kondensator
EP1552538B1 (de) Doppelschicht-kondensator, dessen verwendung sowie ein verfahren zur erhöhung der maximalen ladungen von doppelschicht-kondensator-elektroden
EP3298617B1 (de) Superkondensatoren mit ausgerichteten kohlenstoffnanoröhren und verfahren zu deren herstellung
DE19948742C1 (de) Elektrochemischer Kondensator, insb. Doppelschichtkondensator oder Superkondensator
WO2003096362A2 (de) Kondensatoren hoher energiedichte
DE102010022831A1 (de) Doppelschichtkondensator
EP1399985B1 (de) Zellenanordnung für einen elektronischen energiewandler und verfahren zur herstellung einer solchen
DE10312999A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Superkondensatoren
EP2638551B1 (de) Verfahren zur herstellung eines kapazitiven speicherelements
DE102012215878A1 (de) Elektrode und Verfahren zum Herstellen einer Elektrode
DE102017213377A1 (de) Batteriezelle mit separatorseitig und/oder stirnseitig kontaktiertem Anodenschichtüberstand und/oder Kathodenschichtüberstand
DE2631776B2 (de) Elektrolytkondensator
DE102013104396A1 (de) Elektrochemische Speichervorrichtung
WO2022167111A1 (de) Verfahren zur herstellung von hochstromkondensatoren durch lasertechnik

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of the examined application without publication of unexamined application
D1 Grant (no unexamined application published) patent law 81
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee