DE102008010563A1 - Verwendung von Aktivkohlen als Superkondensator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Aktivkohle, welche durch Verkokung von organischem Material erhältlich ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aktivkohle eine spezifische Oberfläche (BET) von 1400 bis 2000 m2/g, eine enge Partikelgrößenverteilung von 2 bis 5 nm bei einer durchschnittlichen Partikelgröße von 4 bis 8 µm und einen Aschegehalt von weniger als 0,2% besitzt, als Superkondensator sowie einen Superkondensator, der die Aktivkohle enthält.
Description
- Die Erfindung betrifft Aktivkohle, erhältlich aus organischem Material, zur Verwendung in einem Superkondensator. Die Erfindung betrifft ferner einen Superkondensator, der die erfindungsgemäße Aktivkohle enthält.
- Superkondensatoren, in der Literatur auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet, sind elektrochemische Energiespeicher, die sich gegenüber Batterien durch eine deutlich höhere Leistungsdichte, und gegenüber konventionellen Kondensatoren durch eine um Größenordnungen höhere Energiedichte 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 Elektroantriebe (Kraftfahrzeuge) und Telekommunikation.
- Zur Herstellung von Superkondensator-Elektroden haben sich die auf Aktivkohlenstoffen basierenden Werkstoffkonzepte durchgesetzt (BET-Oberflächen bis zu 2000 m2/g), denen in Kombination mit organischen Elektrolyten hinsichtlich Leistungsdaten und Kosten derzeit das größte Marktpotential zugeschrieben wird. Es existieren erste Produkte im Kleinserienstadium, die Energiedichten von etwa 3 Wh/kg erreichen, z. B.
WO 98/15962 A1 - Des Weiteren existieren eine Vielzahl von Konzepten zur Herstellung dieser Aktivkohlenstoff-Superkondensatoren bzw. deren Elektroden, z. B.
EP 0 712 143 A2 ,DE 197 24 712 A1 . - Nachteilig bei gewöhnlicher Aktivkohle ist häufig dessen geringe Qualität, insbesondere haben Aktivkohlen gemäß dem Stand der Technik einen hohen Grad an Verunreinigungen, beispielsweise durch Metalloxide von Fe, Ni, Co, Pb und dergleichen. Dadurch wird bei einer Verwendung der Aktivkohle in einem Superkondensator dessen Kapazität verringert, insbesondere nach längerem Gebrauch (d. h. nach mehreren Lade- und Entladezyklen). Ein einfaches und effizientes Entfernen der Verunreinigungen aus einer Aktivkohle nach dem Stand der Technik ist kaum möglich.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit darin, eine Aktivkohle, bereit zu stellen, die einen geringeren Grad an Verunreinigungen aufweist.
- Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung von Aktivkohle, welche durch Verkokung von organischem Material erhältlich ist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aktivkohle eine spezifische Oberfläche (BET) von 1400 bis 2000 m2/g, eine Partikelgrößenverteilung von 2 bis 5 nm bei einer durchschnittlichen Partikelgröße von 4 bis 8 μm und einen Aschegehalt von weniger als 0,2% besitzt, als Superkondensator.
- Es ist ferner bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Aktivkohle keine oder fast keine Verunreinigungen, insbesondere durch Metalloxide (insbesondere Fe-, Ni-, Co-, Pb-Oxide und dergleichen), enthält. Fast keine Verunreinigungen bedeutet dabei im Sinne der Erfindung weniger als 0,5%, vorzugsweise weniger als 0,2% und besonders bevorzugt weniger als 0,1%.
- Dies kann einerseits durch die Herstellungsmethode und andererseits durch das verwendete Ausgangsmaterial bei der Herstellung der Aktivkohle, und insbesondere durch die Kombination des Herstellungsverfahrens unter Verwendung des entsprechenden Ausgangsmaterials, erreicht werden.
- Als organisches Material, das verkokt werden soll, eignet sich besonders ein Phenolharz, besonders bevorzugt Lewatit bzw. Lewatitharz. Lewatit ist dem Fachmann als Kationen- und Anionenaustauscher auf der Basis von Polymerisationskunstharzen mit unterschiedlicher Vernetzung, makroporöser Struktur und aktiven Gruppen verschiedener Säure- und Basenstärke oder selektiven Eigenschaften bekannt. Lewatit wird gewöhnlich zur Aufbereitung von Wasser oder Abwasserreinigung, zur Adsorption, zur Entfärbung, zur Chromatographie, zur Hydrometallurgie, zur Dekontaminierung, in der Katalyse, als Träger für Enzyme und Wirkstoffe, oder als Nährstoffträger für die Zierpflanzendüngung bei Hydro- und Erdkulturen eingesetzt. Eine Verwendung als Ausgangsstoff zur Herstellung von Aktivkohle und eine entsprechende Verwendung der dadurch erhältlichen Aktivkohle in einem Superkondensator ist im Stand der Technik nicht bekannt.
- Weiterhin ist bevorzugt, wenn das organische Material ein faserförmiges Pflanzenmaterial ist. Besonders bevorzugtes faserförmiges Pflanzenmaterial ist Kokos. Die Kokosfaser wird aus den Fasern der Kokosnusspalmen gewonnen, ist sehr schwer verrottbar, geruchsneutral, diffusionsoffen, elektrostatisch nicht aufladbar und wird häufig im Baubereich als Dämmmaterial eingesetzt.
- Die Bestimmung der BET-Oberfläche kann nach DIN ISO 9277 und nach der DIN 66131 vorgenommen werden. Bevorzugt im Sinne dieser Erfindung ist eine BET-Oberfläche der Aktivkohle von 1400 bis 2000 m2/g, vorzugsweise 1500 bis 1800 m2/g und besonders bevorzugt 1600 bis 1700 m2/g.
- Die durchschnittliche Partikelgröße der erfindungsgemäßen Aktivkohle beträgt 4 bis 8 μm, vorzugsweise 5 bis 7 μm und besonders bevorzugt 6 μm und zeichnet sich durch eine besonders enge Partikelgrößenverteilung aus. Die durchschnittliche Abweichung der Partikel liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 nm, bevorzugt 3 bis 4 nm. Die Bestimmung der Partikelgröße erfolgt vorzugsweise nach DIN ISO 13320-1 und DIN 66111 und die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung kann nach ISO 13319 und DIN 51913 erfolgen. Ebenso kann die Partikelgrößenverteilung wie die Bestimmung der Partikelgröße nach DIN ISO 13320-1 und DIN 66111 erfolgen.
- Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Aktivkohle einen Aschegehalt von weniger als 0,2% (0 bis 0,2%), vorzugsweise weniger als 0,18% (0 bis 0,18%). Die Ermittlung des Aschegehalts erfolgt nach DIN ISO 4047 und ISO 3987.
- Das erfindungsgemäße Aktivkohlematerial zeichnet sich weiterhin durch einen geringen Gehalt an Wasser und funktionellen Gruppen und wie bereits erwähnt durch einen geringen Gehalt an Verunreinigungen aus. Die besonderen Eigenschaften der Aktivkohle können zum einen durch die geeignete Wahl des Ausgangsmaterials und weiterhin durch die Verwendung eines speziellen Herstellungsverfahrens erreicht werden.
- Die Herstellung der Aktivkohle kann durch folgende Schritte erfolgen:
- a) Bereitstellen von organischem Material,
- b) Verkokung des organischen Materials in einem Drehrohrofen, und
- c) Vermahlen des verkokten organischen Materials.
- Die Verkokung im Drehrohrofen erfolgt bevorzugt im Bereich von etwa 300 bis 400°C, besonders bevorzugt etwa 350°C. Die Verkokung wird unter reduzierenden Bedingungen, also unter Sauerstoffunterschuss, beispielsweise durch Zugabe von 5 bis 15 l/min, bevorzugt 10 l/min Stickstoff über die Lewatitschüttung, durchgeführt. Geeignete Längen für das Drehrohr des Ofens betragen 2 bis 10 m, bevorzugt 3 bis 8 m und besonders bevorzugt 4 m, bei einem Durchmesser von 3 bis 9 cm, bevorzugt 6 cm. Die Zugabe des Materials erfolgt mit 10 bis 50 g/min. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehrohrs beträgt 1 bis 25 U/min bei einer Aufheizrate von 10 bis 20 K/min, bevorzugt 15 K/min. Als Material für das Drehrohr dient eine Korundkeramik. Der Ofen wird kontinuierlich betrieben.
- Durch dieses Verfahren kann eine gleichbleibende Qualität der Aktivkohle mit, wie oben bereits genannt, gleichmäßiger Partikelgröße und nur geringer durchschnittlicher Abweichung von der Partikelgröße erreicht werden. Der Aschegehalt reduziert sich auf etwa 0,2% oder weniger.
- Die hohe Reinheit der Aktivkohle basiert insbesondere auf der Verwendung der Ausgangsmaterialien, wie z. B. einem Phenolharz (z. B. Lewatit) bzw. der Pflanzenfaserquellen (z. B. Kokos).
- Das Vermahlen des Produkts (Aktivkohle) kann in herkömmlichen Mühlen, z. B. einer Kugelmühle, Schlagmühle, Ringspaltmühle, oder dergleichen, erfolgen.
- Die erfindungsgemäße Aktivkohle eignet sich besonders zur Verwendung in einem Superkondensator. Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Superkondensator, welcher das erfindungsgemäße Aktivkohlematerial enthält.
- Die erfindungsgemäße Aktivkohle soll insbesondere als Elektrodenmaterial Verwendung finden, wobei diese entweder als Vollmaterial oder als Beschichtung auf einem geeigneten Träger eingesetzt werden kann. Ein geeigneter Träger ist beispielsweise ein Metall oder Kohlenstoff.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Aktivkohle zusammen mit einem Additiv als Beschichtung auf den Träger aufgebracht. Als besonders vorteilhafte Additive haben sich Ruß (Carbon black, Kohlenschwarz) und VGCF (vapour grown carbon fibers) herausgestellt.
- Zur Beschichtung des Elektrodenträgers wird zunächst die erfindungsgemäße Aktivkohle in einer Mühle (z. B. Kugelmühle) vorgemahlen, dann mit dem Additiv versetzt und beide Komponenten nochmals zusammen vermahlen. Diese Mischung kann mit einem geeigneten Bindemittel versetzt werden um eine Beschichtungszusammensetzung zu erhalten oder ohne Bindemittel als Beschichtungsmaterial verwendet werden. Mit dieser Beschichtungszusammensetzung bzw. dem Beschichtungsmaterial (mit oder ohne Bindemittel) kann dann das Elektrodenträgermaterial beschichtet werden.
- Als Bindemittel eignen sich beispielsweise sogenannte „Tar Pitch Binder”, z. B. mit einem Erweichungspunkt von 100 bis 120°C, bevorzugt 106°C, einer spezifischen (relativen) Dichte von 1,30 bis 1,40, bevorzugt 1,34 und einem Verkokungswert von etwa 50 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 55 bis 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 58 Gew.-%. Ferner können organische Polymere (Harze) als Bindemittel und andere dem Fachmann bekannte Bindemittel verwendet werden.
- Als Elektrodenträgermaterial eignet sich beispielsweise eine Kombination aus (Träger/Beschichtung) Li/Kohlenstoff und Kohlenstoff/Kohlenstoff.
- Das Verhältnis von Aktivkohle zu Additiv liegt im Bereich von 95:5 bis 5:95, vorzugsweise 80:20 bis 20:80.
- Das Verhältnis der Kohlenstoffanteile zu Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung liegt im Bereich von 95:5 bis 5:95, vorzugsweise 80:20 bis 20:80. Bei ausreichend kleiner Partikelgröße (z. B. < 10 μm) der Aktivkohle kann auf ein Bindemittel verzichtet werden.
- Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen, welche jedoch nicht als beschränkend zu betrachten sind, unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.
- Ausführungsbeispiele:
- Beispiel 1: Herstellung der Aktivkohle
- Gekörntes Lewatitharz (Lewatitkugeln) wird über einen Zeitraum von 1 h bei 350°C im Drehrohrofen (Länge Drehrohr 4 m, Durchmesser 6 cm) kontinuierlich unter reduzierenden Bedingungen unter Zugabe von 10 l/min Stickstoff über die Lewatitschüttung verkokt. Die Zugabe des Materials erfolgt mit 25 g/min. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehrohrs beträgt 15 U/min bei einer Aufheizrate von 15 K/min. Als Material für das Drehrohr dient eine Korundkeramik. Die erhaltene Aktivkohle kann ohne weitere Aufarbeitung weiterverwendet werden. Sie enthält nahezu keine Verunreinigungen durch Metalloxide.
- Beispiel 2: Beschichtung von Elektrodenträgermaterial:
- Zur Beschichtung des Elektrodenträgers wird zunächst die erfindungsgemäße Aktivkohle aus Beispiel 1 in einer Kugelmühle auf etwa 7 μm vorgemahlen, dann mit VGCF versetzt und beide Komponenten nochmals zusammen vermahlen. Mit dieser Mischung wird ohne Zugabe eines Bindemittels das Elektrodenträgermaterial beschichtet.
- Zum einen wurde ein Li-Träger und zum zweiten wurde ein Kohlenstoffträger beschichtet.
- Die beiden beschichteten Elektroden (Kathode und Anode) wurden einer elektrochemischen Analyse unterzogen.
- Dazu wurde eine Reihe von Cyclovoltametrie-Zyklen durchlaufen. Wie anhand von
1 zu erkennen ist, zeigen die die erfindungsgemäße Aktivkohle enthaltenden Elektroden auch nach 600 Zyklen keine Kapazitätsverluste. - Vergleichsbeispiel 1:
- Bei einem Vergleichsversuch, bei dem kommerziell erhältliche Aktivkohle analog wie im Beispiel 2 mit VCGF auf einen Träger beschichtet wurde, zeigt sich, wie anhand von
2 zu erkennen ist, bereits nach wenigen Zyklen ein Kapazitätsverlust, welcher nach 600 Zyklen bereits über 20% beträgt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 98/15962 A1 [0003]
- - EP 0712143 A2 [0004]
- - DE 19724712 A1 [0004]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN ISO 9277 [0012]
- - DIN 66131 [0012]
- - DIN ISO 13320-1 [0013]
- - DIN 66111 [0013]
- - ISO 13319 [0013]
- - DIN 51913 [0013]
- - DIN ISO 13320-1 [0013]
- - DIN 66111 [0013]
- - DIN ISO 4047 [0014]
- - ISO 3987 [0014]
Claims (11)
- Verwendung von Aktivkohle, erhältlich durch Verkokung von organischem Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle eine spezifische Oberfläche (BET) von 1400 bis 2000 m2/g, eine Partikelgrößenverteilung von 2 bis 5 nm bei einer durchschnittlichen Partikelgröße von 4 bis 8 μm und einen Aschegehalt von weniger als 0,2 besitzt, als Superkondensator.
- Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material ein Phenolharz oder Lewatit ist.
- Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material eine faserförmiges Pflanzenmaterial ist.
- Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das faserförmige Pflanzenmaterial Kokos ist.
- Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkokung des organischen Materials in einem Drehrohrofen erfolgt.
- Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkokung bei einer Temperatur von etwa 300 bis 400°C erfolgt.
- Superkondensator, enthaltend die Aktivkohle nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
- Superkondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle als Beschichtung auf einem Träger vorliegt.
- Superkondensator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle ein Additiv umfasst.
- Superkondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv Carbon Black oder VCGF ist.
- Superkondensator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle ein Bindemittel umfasst.
Priority Applications (1)
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| DE102008010563A DE102008010563A1 (de) | 2008-02-22 | 2008-02-22 | Verwendung von Aktivkohlen als Superkondensator |
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ID=40911201
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|---|---|
| DE (1) | DE102008010563A1 (de) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018104942A1 (en) * | 2016-12-06 | 2018-06-14 | POCell Tech Ltd. | Supercapacitor comprising low-purity carbon electrode and aqueous electrolyte |
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2008
- 2008-02-22 DE DE102008010563A patent/DE102008010563A1/de not_active Withdrawn
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