DE102015216964A1 - Asymmetrischer Hybridsuperkondensator - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen asymmetrischen Hybridsuperkondensator. Dieser weist eine Anode auf, die ein Metall oder Halbmetall enthält. Diese weist eine Porosität von mindestens 20 Vol.-% auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen asymmetrischen Hybridsuperkondensator, der durch die Zusammensetzung seiner Anode charakterisiert ist.
  • Stand der Technik
  • Hybridsuperkondensatoren (Hybride Super Capacitors – HSCs), wie beispielsweise Lithiumionenkondensatoren stellen eine neue Generation von Kondensatoren dar, welche mehr Leistung zur Verfügung stellen können als Lithiumionen-Batterien, die zwar über eine große Energiedichte von mehr als 100 Wh/kg verfügen, diese Energie jedoch nur langsam abgeben und die über eine höhere Energiedichte verfügen, als hochenergetische Superkondensatoren (EDLCs/SCs), welche zwar mehr als 100 kW/kg zur Verfügung stellen können, jedoch nur über eine geringe Energiedichte verfügen. Hybridsuperkondensatoren können beispielsweise mittels kurzer Hochenergiepulse geladen werden, wie sie bei der Bremsenergie-Rekuperation von Kraftfahrzeugen auftreten. Die auf diese Weise zurückgewonnene elektrische Energie kann im Folgenden verwendet werden, um das Kraftfahrzeug zu beschleunigen. Dies ermöglicht eine Einsparung von Kraftstoff und die Verringerung von Kohlenstoffdioxidemissionen. Auch für die Verwendung als Energiequellen in Elektrowerkzeugen werden Hybridsuperkondensatoren in Betracht gezogen. Da es sich bei Hybridsuperkondensatoren im Vergleich zu anderen Typen von Superkondensatoren und zu Batterien um eine neue Technologie handelt, sind allerdings derzeit nur wenige Produkte kommerziell erhältlich, die Hybridsuperkondensatoren verwenden. Meistens werden in Anwendungsbereichen, die für Hybridsuperkondensatoren geeignet wären, überdimensionierte Lithiumionen-Batterien eingesetzt, die aufgrund ihrer Größe in der Lage sind, jeweils die für die betreffende Anwendung geforderte Leistung zur Verfügung zu stellen.
  • Hybridsuperkondensatoren können, je nach Zellaufbau, in zwei verschiedene Kategorien unterteilt werden: Symmetrische und asymmetrische Hybridsuperkondensatoren. Asymmetrische Hybridsuperkondensatoren weisen eine Elektrode auf, deren Material Energie durch reversible faradaysche Reaktion speichert. Die kann eine hybridisierte Elektrode sein. Die zweite Elektrode ist rein kapazitiv, d. h. sie speichert Energie durch den Aufbau einer Helmholz-Doppelschicht. Dieser Aufbau ist vor allem für Hybridsuperkondensatoren der ersten Generation gebräuchlich, da er eine Elektrodengestaltung aufweist, welche dem Aufbau von Lithiumionen-Batterieelektroden bzw. Superkondensatorelektroden entspricht, so dass bekannte Elektrodenherstellungsverfahren genutzt werden können. Lithiumionen-Kondensatoren sind ein Beispiel eines asymmetrischen Hybridsuperkondensators. Hierin wird lithiierter Graphit oder eine andere Form eines lithiierbaren Kohlenstoffs als Anode verwendet. Dies ermöglicht ein maximales Spannungsfenster von bis zu 4,3 V. Allerdings ist eine SEI-Bildung (Solid Electrolyte Interface) an der Anode bei Verwendung von Anodenmaterialien mit einem Interkalationspotential nahe 0 V vs. Li/Li+, wie beispielsweise Graphit, unvermeidlich. Dieser wird üblicherweise durch gezielte Zellmodifikation, z. B. durch Elektrolytadditive wie Vinylencarbonat, begegnet, um die SEI-Schicht zu stabilisieren und eine weitere Elektrolytzersetzung zu verhindern. Der zweite Typ sind symmetrische Hybridsuperkondensatoren, die aus zwei intern hybridisierten Elektroden mit sowohl faradayschen als auch kapazitiv aktiven Materialien bestehen. Durch diese Kombination kann die Leistungsdichte der Hybridsuperkondensatoren im Vergleich zu konventionellen Lithiumionen-Batterien bzw. die Energiedichte im Vergleich zu konventionellen Superkondensatoren beträchtlich gesteigert werden. Des Weiteren können synergistische Effekte zwischen den beiden aktiven Elektrodenmaterialien in beiden Elektroden genutzt werden. Kohlenstoff als Elektrodenbestandteil ermöglicht zudem eine schnellere Energiebereitstellung beider Elektroden, da er die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden verbessert. Hochporöser Kohlenstoff kann außerdem als Schock-Absorber für hohe Ströme fungieren. Symmetrische Hybridsuperkondensatoren sind asymmetrischen Hybridsuperkondensatoren im gepulsten Betrieb überlegen.
  • Die Energiedichte asymmetrischer Hybridsuperkondensatoren wird normalerweise dadurch begrenzt, dass eine Elektrode aus einem Metalloxid oder einem leitfähigen Polymer besteht, welches eine intrinsisch niedrige Kapazität aufweist. In H. D. Yoo, I. Shterenberg, Y. Gofer, R. E. Doe, C. C. Fischer, G. Ceder, D. Aurbach, Journal of the Electrochemical Society, 161(3) A410–A415 (2014), wird beschrieben, dass die Energiedichte durch Verwendung von Magnesium als Elektrodenmaterial deutlich erhöht werden kann. Allerdings laufen die Ladung und Entladung der verwendeten Magnesiumfolie langsam ab und ihre Lebensdauer ist auf 4000 Zyklen begrenzt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße asymmetrische Hybridsuperkondensator weist eine Anode auf, die ein poröses Metall oder Halbmetall enthält. Die Porosität des Metalls oder Halbmetalls beträgt mindestens 20 Vol.-% und die Porengröße liegt insbesondere im Bereich von 100 nm bis 5 µm. Dadurch kann der asymmetrische Hybridsuperkondensator eine höhere Leistung bereitstellen als herkömmliche asymmetrische Hybridsuperkondensatoren, da die Ionendiffusion in der Anode überwiegend in flüssigem Medium abläuft und somit deutlich beschleunigt ist. Weil aufgrund der offenen Struktur der Anode eine große Metalloberfläche für faradaysche Reaktionen zur Verfügung steht, steigt auch die Kapazität der Anode gegenüber herkömmlichen Metallanoden. Die Lebensdauer des asymmetrischen Hybridsuperkondensators ist gegenüber herkömmlichen asymmetrischen Hybridsuperkondensatoren erhöht. Dies beruht darauf, dass Volumenänderungen des Anodenmaterials, welche auf der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen beruhen, aufgrund der offenen Porenstruktur einfacher ablaufen können, so dass die Anode eine höhere mechanische Stabilität aufweist als eine herkömmliche Anode aus Metallfolie.
  • Um die erforderliche hohe Porosität erreichen zu können, ist es bevorzugt, dass die Morphologie des Metalls oder Halbmetalls aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus porösen Fasern, Nanofasern, hohlen Nanokörpern, hohlen porösen Körpern, offenporigem Metallschaum oder Halbmetallschaum, porösem Metall oder Halbmetall, Nanoblüten und Kombinationen davon besteht.
  • Unter porösen Fasern werden Fasern, Stäbe oder Drähte verstanden, welche in ihrer Außenfläche Poren aufweisen. Wenn die Fasern als Röhren ausgebildet sind, kann die Porosität darin bestehen, dass die Außenwand der Fasern Öffnungen aufweist, welche den Innenraum und den Außenraum der Röhren miteinander verbinden.
  • Unter Nanofasern werden sowohl massive Nanofasern als auch Nanoröhren verstanden. Zur Ausbildung einer porösen Struktur bilden die Nanofasern in einer Ausführungsform der Erfindung ein Gewebe. In diesem Gewebe müssen sie nicht notwendigerweise eine vorgegebene Ausrichtung aufweisen. In einer anderen Ausführungsform sind die Nanofasern parallel auf einem Kollektor angeordnet, auf dem die Anode aufgebracht ist. Der Kollektor kann aus demselben oder einem anderen Material wie die Nanofasern bestehen.
  • Die hohlen Nanokörper können verschiedene geometrische Formen aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei ihnen um Nanokugeln. Grundsätzlich sind aber auch andere geometrische Formen, wie beispielsweise Nanowürfel möglich.
  • Unter hohlen porösen Körpern werden geometrische Körper verstanden, die in ihrer Außenwand Öffnungen aufweisen, welche den Außenraum der Körper mit ihrem Innenraum verbinden. Diese hohlen Körper sind insbesondere kugelförmig ausgebildet. Grundsätzlich können sie aber auch andere geometrische Formen, wie beispielsweise Würfelformen annehmen.
  • Der offenporige Metallschaum oder Halbmetallschaum kann ein Metallschaum oder Halbmetallschaum mit herkömmlicher Porosität oder auch ein Metallschaum oder Halbmetallschaum mit weit offener Porosität sein. Unter einer weit offenen Porosität wird dabei eine Struktur verstanden, in der einzelne Poren des Metallschaums nicht von seiner Oberfläche aus, sondern über Öffnungen in den Wänden anderer Poren von außen zugänglich sind.
  • Unter porösem Metall oder Halbmetall wird sowohl unstrukturiert poröses Material verstanden als auch Material, dessen Porenstruktur in geordneter Weise unter Verwendung eines Templates erzeugt wurde.
  • Bei Nanoblüten (Nano Flower) handelt es sich um Metall- oder Halbmetallstrukturen, die auf mikroskopischer Ebene Blüten und Bäumen ähneln.
  • Das Metall ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Natrium, Lithium, Aluminium, Zinn, Blei, Bismut und Zink. Das Halbmetall ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Antimon und Germanium. Diese Metalle und Halbmetalle können in günstiger Weise Interkalations- und Deinterkalationsreaktionen mit Lithium oder anderen geeigneten Alkalimetallionen eingehen und lassen sich zu der benötigten porösen Struktur formen.
  • Um in der Anode neben faradayschen Reaktionen auch die Ausbildung einer elektronischen Doppelschicht (Electronic Double Layer Capacitor, EDLC) zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass die Anode weiterhin Kohlenstoff enthält. Besonders bevorzugt enthält die Anode mehrere unterschiedliche Kohlenstoffmodifikationen. Dies ermöglicht es Kohlenstoffmaterialen, die der Anode EDLC-Eigenschaften verleihen, wie beispielsweise Aktivkohle oder Kohlenstoffnanofasern, mit weiteren Kohlenstoffmaterialien zu kombinieren, welche die elektrische Kontaktierung zwischen dem EDLC-Material und dem Metall bzw. Halbmetall und einem Kollektor, auf dem die Anode angebracht, verbessert. Hierbei kann es sich beispielsweise um Graphit oder um Rußnanopartikel handeln. Um die unterschiedlichen Materialien der Anode fest miteinander zu verbinden, ist es weiterhin bevorzugt, dass diese ein Bindemittel enthält. Bei dem Bindemittel kann es sich insbesondere um Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Carboxymethylcellulose (CMC) oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) handeln.
  • In einer Ausführungsform besteht die Anode aus einem Gemisch mehrerer der zuvor genannten Bestandteile, das auf einem Kollektor aufgebracht ist. Dabei kann es sich bei dem Kollektor insbesondere um einen mit Kohlenstoff beschichteten Aluminiumkollektor handeln, welcher eine gute elektrische Kontaktierung zwischen dem Aluminium des Kollektors und dem Anodenmaterial ermöglicht. In einer anderen Ausführungsform besteht die Anode aus einer freistehenden Schicht des Anodenmaterials.
  • Zwischen der Anode und der Kathode des asymmetrischen Hybridsuperkondensators ist ein Elektrolyt angeordnet. Um eine gute Aufnahme und Abgabe von elektrischen Ladungen an der Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass der Elektrolyt ein Leitsalz enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tetramethylammoniumtetrafluoroborat (N(CH4)4BF4), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumbistrifluormethansulfonimid ((LiN(SO2CF3)2), Lithiumbispentafluorethansulfonimid (LiN(SO2C2F5)2), Lithiumbisfluorosulfonylimid (LiN(SO2F)2, LIFSi), Lithiumbisoxalatoborat (LiB(C2O4)2, LiBOB), Lithiumoxalyldifluoroborat (LiBF2(C2O4), LiODFB), Lithiumfluoroalkylphosphat (LiPF3(CF3CF2)3, LiFAP) und Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3). Wenn das Metall aus der Gruppe ausgewählt, die aus Magnesium, Natrium, Lithium und Aluminium, besteht, kann es sich bei dem Leitsalz auch um ein Salz des Metalls handeln.
  • Das Leitsalz ist vorzugsweise in einem Lösungsmittel gelöst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acetonitril, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, ionischen Flüssigkeiten und Gemischen daraus. Die für den asymmetrischen Hybridsuperkondensator bevorzugten Leitsalze sind in diesen Lösungsmitteln gut löslich und die Lösungsmittel gehen keine unerwünschten Reaktionen mit den Elektrodenmaterialen ein.
  • Das Lösungsmittel kann einen darin suspendierten Fluorkautschuk wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen enthalten, um die Stabilität des Elektrolyten bei hohen Spannungen von insbesondere mehr als 4 V zu verbessern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch einen asymmetrischen Hybridsuperkondensator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2a zeigt eine poröse röhrenförmige Metallfaser als Anodenbestandteil in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2b zeigt ein Gewebe aus Metallnanofasern als Anodenbestandteil in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2c zeigt parallel auf einem Kollektor angeordnete Metallnanofasern als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2d zeigt hohle Metallnanokugeln als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2e zeigt eine hohle poröse Metallkugel als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2f zeigt einen Metallschaum mit weit offener Porosität als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2g zeigt einen offenporigen Metallschaum als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2h zeigt ein poröses Metall als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2i zeigt ein mittels eines Templates hergestelltes poröses Metall als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2j zeigt ein mittels eines Templates hergestelltes poröses Metall mit einer parallelen Anordnung von Metallstäben als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2k zeigt eine Nanoblüte aus Metall als Anodenbestandteil in noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Ein asymmetrischer Hybridsuperkondensator 1 gemäß den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist den in 1 dargestellten Aufbau auf. Eine Kathode 2, die aus Aktivkohle besteht, ist auf einem ersten Kollektor 3 aufgebracht. Eine Anode 4 ist auf einem zweiten Kollektor 5 aufgebracht. Die beiden Kollektoren 3, 5 bestehen jeweils aus mit Kohlenstoff beschichtetem Aluminium. Zwischen der Kathode 2 und der Anode 4 ist ein Elektrolyt 6 eingebracht. Ein Separator 7 trennt die Kathode 2 von der Anode 4. Eine Einbettung von Li+-Ionen in die Anode 4 ist in 1 schematisch in zwei Vergrößerungen dargestellt.
  • Die Anode 4 besteht jeweils aus einem Anodenmaterial, das ein Metall oder Halbmetall, Aktivkohle als EDLC-Material, Graphit und das Bindemittel PTFE enthält. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Metall oder Halbmetall die Form hohler stabförmiger Fasern mit porösen Außenwänden auf. Eine solche Faser ist in 2a dargestellt. Sie hat einen Durchmesser von 2 µm. In einem zweiten Ausführungsbeispiel bildet das Metall oder Halbmetall ein in 2b dargestelltes ungeordnetes Gewebe von Nanofasern mit einem Durchmesser von ca. 700 nm. In einem dritten Ausführungsbeispiel sind diese Nanofasern parallel zueinander auf der Oberfläche des zweiten Kollektors 5 aufgebracht. Dies ist in 2c dargestellt. In einem vierten Ausführungsbeispiel hat das Metall oder Halbmetall die Form von mindestens 100 nm bis weniger als 2 µm durchmessenden Nanokugeln, die in 2d dargestellt sind. In einem fünften Ausführungsbeispiel bildet das Metall oder Halbmetall ca. 2 µm durchmessende hohle Kugeln, dessen Außenwände Öffnungen aufweisen, die den Innenraum dieser Kugeln zugänglich machen. Eine solche Kugel ist in 2e dargestellt. In einem sechsten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Metall oder Halbmetall um einen Metallschaum mit der in 2f dargestellten weit offenen Porenstruktur. In einem siebten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Metall oder Halbmetall um einen offenporigen Metallschaum mit der Porenstruktur, die in 2g dargestellt ist. In einem achten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Metall oder Halbmetall um ein poröses Metall mit der Porenstruktur, die in 2h dargestellt ist. Die Poren der Metallschäume und des porösen Metalls habe Durchmesser im Bereich von 100 nm bis 5 µm. In einem neunten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Metall oder Halbmetall um ein mittels eines Templates hergestelltes poröses Metall. Wie in 2i gezeigt ist, weist dieses gleichmäßig angeordnete 100 µm durchmessende Poren auf. In einem zehnten Ausführungsbeispiel hat das Metall oder Halbmetall eine poröse Struktur, die mittels eines anderen Templates hergestellt wurde. Dadurch weist sie die in 2j dargestellten parallel angeordneten Metallstäbe auf. In einem elften Ausführungsbeispiel besteht das Metall oder Halbmetall aus 50–100 nm großen Metallblättern, welche gemeinsam die Form der in 2k dargestellten 1–5 µm großen Nanoblüte darstellen. Die Metalle bzw. Halbmetalle gemäß dem ersten bis elften Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen jeweils eine Porosität von mindestens 20 Vol.-% auf. Diese Porosität kann aus einer BET-Isothermen ermittelt werden.
  • Bei dem Metall oder Halbmetall handelt es sich gemäß den Ausführungsbeispielen B1 bis B5 um die in Tabelle 1 genannten Metalle und gemäß den Ausführungsbeispielen B6 bis B8 um die in Tabelle 1 genannten Halbmetalle. In der Tabelle werden jeweils die an der Anode 4 ablaufenden Redoxreaktionen sowie die Kapazität C der Anode genannt. Die Metalle und Halbmetalle gemäß den Ausführungsbeispielen B1 bis B8 können beispielsweise in Kombination mit einem Elektrolyten 6 verwendet werden, der als Leitsalz 1 mol/l Lithiumperchlorat in dem Lösungsmittel Acetonitril enthält. Der Separator 7 besteht aus einem Aramidgewebe. Tabelle 1
    # M Redoxreaktion C [mAh/g] Leitsalz Lösungsmittel
    B1 Sn Si + xLi+ + xe– → LixSi 960 LiClO4 Acetonitril
    B2 Pb Pb + xLi+ + xe– → LixPb 550 LiClO4 Acetonitril
    B3 Bi Bi + xLi+ + xe– → LixBi 385 LiClO4 Acetonitril
    B4 Ge Ge + xLi+ + xe– → LixGe 1384 LiClO4 Acetonitril
    B5 Li Li → Li+ + e– 3861 LiClO4 Acetonitril
    B6 Si Si + 4,4Li+ + 4,4e– → Li4,4Si 3579 LiClO4 Acetonitril
    B7 Sb Sb + xLi+ + xe– → LixSb 660 LiClO4 Acetonitril
    B8 Ge Ge + xLi+ + xe– → LixGe 1384 LiClO4 Acetonitril
  • In Ausführungsbeispielen B9 bis B15 wird jeweils eines der Metalle Aluminium, Magnesium oder Natrium als Bestandteil der Anode 4 verwendet. Die Kapazität C der so erhaltenen Anode 4 und Kombinationen von Leitsalz und Lösungsmittel in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen werden in Tabelle 2 genannt. Dabei beträgt die Konzentration des Leitsalzes in dem Lösungsmittel jeweils 1 mol/l. Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Aluminium als Anodenmaterial nicht nur der bereits in den Ausführungsbeispielen B1 bis B8 verwendete Elektrolyt 6, sondern auch eine Lösung von Aluminium(III)-chlorid in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorophospat (BMIM PF6) verwendet werden kann. Wenn Magnesium als Elektrodenmaterial eingesetzt wird, kann neben dem in den Ausführungsbeispielen B1 bis B8 verwendeten Elektrolyten 6 auch eine Lösung von Magnesiumperchlorat in Propylencarbonat als Elektrolyt 6 verwendet werden, wobei dem Propylencarbonat Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVdF(HFP)) zugesetzt ist. Auch kann eine Mischung der Leitsalze Mg2Cl3 und Mg[Ph2AlCl2]2 in Acetonitril verwendet werden, wie sie aus der Publikation von H. D. Yoo et al. bekannt ist. Geeignete Elektrolyte, die gemeinsam mit einer Natriumelektrode eingesetzt werden können, sind beispielsweise eine Lösung von Natriumperchlorat in Propylencarbonat oder eine Lösung von Natriumhexafluorophospat in einer Mischung aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat. Tabelle 2
    # M Redoxreaktion C [mAh/g] Leitsalz Lösungsmittel
    B9 Al Al + 3Li+ + 3e– → Li3Al 993 LiClO4 Acetonitril
    B10 Al Al → Al3+ + 3e– 993 AlCl3 BMIM PF6
    B11 Mg Mg + xLi+ + xe– → LixMg 195 LiClO4 Acetonitril
    B12 Mg Mg → Mg2+ + 2e– 195 Mg(ClO4)2 Propylencarbonat + PVdF(HFP)
    B13 Mg Mg → Mg2+ + 2e– 195 Mg2Cl3 + Mg[Ph2AlCl2]2 Acetonitril
    B14 Na Na → Na+ + e– NaClO4 Propylencarbonat
    B15 Na Na → Na+ + e– NaPF6 Ethylencarbonat+ Dimethylcarbonat
  • Alle angegebenen Elektrolyte ermöglichen faradaysche Reaktionen des Metalls bzw. Halbmetalls zusätzlich zu einer elektrischen Doppelschichtaufladung des in der Anode enthaltenen Kohlenstoffs. Die hohe Porosität des Metalls bzw. Halbmetalls sorgt dafür, dass für die faradayschen Reaktionen eine hohe Oberfläche zur Verfügung steht.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • H. D. Yoo, I. Shterenberg, Y. Gofer, R. E. Doe, C. C. Fischer, G. Ceder, D. Aurbach, Journal of the Electrochemical Society, 161(3) A410–A415 (2014) [0004]
    • H. D. Yoo et al. [0036]

Claims (10)

  1. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1), aufweisend eine Anode (4), die ein Metall oder Halbmetall enthält, das eine Porosität von mindestens 20 Vol.-% aufweist.
  2. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Morphologie des Metalls ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus porösen Fasern, Nanofasern, hohlen Nanokörpern, hohlen porösen Körpern, offenporigem Metallschaum, porösem Metall, Nanoblüten und Kombinationen davon.
  3. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern ein Gewebe bilden oder parallel auf einem Kollektor angeordnet sind, auf dem die Anode aufgebracht ist.
  4. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Nanokörper und die hohlen porösen Körper Kugeln sind.
  5. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Magnesium, Natrium, Lithium, Aluminium, Zinn, Blei, Bismut und Zink, und dass das Halbmetall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Silizium, Antimon und Germanium.
  6. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (4) weiterhin Kohlenstoff enthält.
  7. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (4) mehrere unterschiedliche Kohlenstoffmodifikationen enthält.
  8. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Elektrolyten (6) aufweist, der mindestens ein Leitsalz enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Tetramethylammoniumtetrafluoroborat, Lithiumperchlorat, Lithiumhexafluorophosphat, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumbistrifluormethansulfonimid, Lithiumbispentafluorethansulfonimid, Lithiumbisfluorosulfonylimid, Lithiumbisoxalatoborat, Lithiumoxalyldifluoroborat, Lithiumfluoroalkylphosphat, Lithiumtrifluormethansulfonat.
  9. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Magnesium, Natrium, Lithium und Aluminium, und dass der asymmetrische Hybridsuperkondensator einen Elektrolyten (6) aufweist, der mindestens ein Leitsalz enthält, welches ein Salz des Metalls ist.
  10. Asymmetrischer Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitsalz in einem Lösungsmittel gelöst ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Acetonitril, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, ionischen Flüssigkeiten und Gemischen daraus.
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