WO2002035564A1 - Electrochemical capacitor - Google Patents

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WO2002035564A1
WO2002035564A1 PCT/DE2001/003969 DE0103969W WO0235564A1 WO 2002035564 A1 WO2002035564 A1 WO 2002035564A1 DE 0103969 W DE0103969 W DE 0103969W WO 0235564 A1 WO0235564 A1 WO 0235564A1
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electrolyte
electrochemical capacitor
capacitor according
nanostructured
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PCT/DE2001/003969
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Werner Scherber
Cornelius Haas
Mathias BÖHMISCH
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Dornier Gmbh
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    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54Electrolytes
    • H01G11/56Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
    • HELECTRICITY
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    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/26Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • HELECTRICITY
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    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
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    • H01G11/36Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical capacitor according to the preamble of patent claim 1.
  • Electrochemical capacitors also referred to in the literature as double-layer capacitors or supercapacitors, are electrochemical energy stores which are distinguished by a significantly higher power density compared to batteries and by an order of magnitude higher energy density than conventional capacitors. They are based on the potential-controlled formation of Helmholtz double layers and / or electrochemical redox reactions with high charge capacity and reversibility on electrically conductive electrode surfaces in suitable electrolytes. Priority potential areas of application with particular economic importance lie, for example, in the areas of electrical traction (motor vehicles) and telecommunications. By intercepting power peaks, the nominal power of the primary energy source can be reduced, the service life and range can be extended and the economy of the overall system can thus be significantly improved.
  • the material concepts based on active carbon have prevailed (BET surfaces up to 2000m 2 / g), which, in combination with organic electrolytes, currently have the greatest market potential in terms of performance data and costs.
  • BET surfaces up to 2000m 2 / g There are first products in the small series stage that achieve energy densities of about 3 Wh / kg, for example WO 98/15962 A1.
  • concepts for producing these activated carbon supercapacitors or their electrodes for example EP 0 712 143 A2, DE 197 24 712 A1.
  • a maximum of 50 to 100 farads capacity per gram of the active electrode material can be achieved here.
  • the ratio of useful energy and storage weight is often still too small for use as peak load storage in order to be used economically in real applications.
  • the optimization the performance data can take place via the capacitor structure (stack design) as well as the actual capacitor electrodes (surface structures and materials).
  • 1 shows the basic structure of such a supercapacitor according to the prior art with the activated carbon electrodes 1, 2, the porous separator 3 and the electronic contacts 4, 5.
  • the entire system is filled with a liquid electrolyte.
  • 2 shows the associated equivalent circuit diagram. It utilizes the formation of Helmholtz capacity at a large geometric surface area of the two activated carbon electrodes (up to 2000m 2 / g), so the total capacitance Cg that it consists of the series connection of the individual electrode capacitances C ⁇ and C 2 is obtained.
  • the cutoff frequency of the capacitor is substantially saturated by the product of C and determines the sum of the design-dependent ohmic resistance loss.
  • the contact resistance of the electrodes to the current collector of the capacitor housing is given by R c , the electronic conductivity of the electrode itself by R E
  • the electrolyte resistance R E s is determined by the conductivity of the electrolyte in the pores of the electrodes, while the separator resistance R SE P represents the electrolyte conductivity in the separator area and is essentially a function of the porosity and the thickness of the separator.
  • an electrode material with good electronic conductivity and connectivity, an electrolyte with good ionic conductivity and a thin separator with high porosity are required.
  • Activated carbon materials have an extremely high porous surface, but the distribution of pore sizes is very wide and extends down to the range of «1 nm. Since typical Helmholtz layer thicknesses are even up to 2 nm, the Helmholtz storage layer can be used with this electrode material are not completely formed on the surface actually present.
  • the typically rather sponge-like geometry of activated carbon materials also has a disadvantageous effect on the frequency behavior of the capacitance. Because for the electrolyte it is synonymous with relatively long and narrow paths and therefore inevitably linked to a relatively high electrolyte resistance R E L. This leads to a reduction in the cutoff frequency of the overall component, ie even at moderate frequencies (typically around 1 Hz), only a fraction of the electrode capacity available with direct voltage can be used.
  • the object of the invention is to provide an electrochemical capacitor which enables a significant reduction in the totality of the loss resistances.
  • the electrochemical capacitor according to the invention has an electrically conductive or semiconducting electrode which is formed from a nanostructured film in which nanostructured discrete, needle-shaped elements are anchored in an electrically conductive manner on a surface.
  • Nanostructured element in the sense of the present invention refers to a material structure with dimensions of at least one structural dimension in the nanometer range ( ⁇ 1 ⁇ m).
  • the electrolyte is in the form of a thin-film electrolyte which coats the surface of the nanostructured electrode, in particular the surface of the needle-shaped elements.
  • the discrete, needle-shaped elements coated with the electrolyte are embedded in the counter electrode.
  • the capacitor according to the invention thus has an interdigital structure. Electrode and counter electrode interlock.
  • the thin film electrolyte fills the entire space between the electrode and the counter electrode. A supercapacitor with geometrically significantly shorter charging paths and reduced ohmic loss resistances is thus made possible.
  • the electrolyte acts as a geometric separator and at the same time prevents electronic contact between the electrode and the counter electrode.
  • the mechanical porous separator according to the known capacitors mentioned above can thus be dispensed with.
  • the electrolyte is preferably designed as a gel-like or solid thin film.
  • the layer thickness of the electrolyte is not greater than 1 ⁇ m, preferably not greater than 100 nm, in particular not greater than 50 nm.
  • the thin-film electrolyte must on the one hand electronically separate the two capacitor electrodes from one another (electronic insulator) on the other hand must have a high ionic conductivity and be doped with suitable mobile ionic charge carriers which are required to form Helmholtz double layers on the electrode surfaces.
  • Monolayers SAMs are used, which means that these monolayers are applied by simply immersing the substrate in the corresponding solution.
  • the layers are characterized by an extremely low defect density, and the layer thicknesses in the range of a few nanometers can be easily controlled via concentration, chain lengths or activities of the end groups.
  • the layer system can be applied by simply immersing it in corresponding aqueous solutions and is therefore a preferred exemplary embodiment of a thin-film electrolyte in the electrochemical capacitor according to the invention.
  • the polyelectrolyte layer system described above does not play the role of an electronically insulating dielectric cum in the dielectric capacitor, but the role of an ionically doped thin film electrolyte in an electrochemical capacitor.
  • the nanostructured electrode according to the invention made of a film with needle-shaped elements has a large effective surface for forming the Helmholtz storage layer.
  • Their size on a flat metallic surface is typically about 40 ⁇ F / cm 2 in the aqueous electrolyte.
  • the areal density of the nanostructured needle-shaped elements is preferably in the range of 1-500 per ⁇ m 2 , the diameter of which is preferably in the range of 15-500nm. B. the necessary material stability is guaranteed for metallic structures.
  • the aspect ratio (ratio between height and average diameter) of the nanostructured needle-shaped elements is advantageously larger than 20.
  • the nanostructured discrete needle-shaped elements can either be a solid cylinder, a hollow cylinder (tube) or a solid cylinder with an inner sponge-like porosity for an additional surface enlargement available.
  • a further advantage of the supercapacitor according to the invention is that the nanostructured electrode film can be produced from any semiconducting or conductive materials such as metals, noble metals, galvanomains (galvanically depositable metals), in particular nickel, gold or conductive polymers, using suitable manufacturing processes.
  • any semiconducting or conductive materials such as metals, noble metals, galvanomains (galvanically depositable metals), in particular nickel, gold or conductive polymers, using suitable manufacturing processes.
  • the production of the carrier foil of the electrode and the growth of the nanostructured elements thereupon can be carried out in one work step when using electrochemical deposition.
  • the thickness of the carrier film is advantageously set between 1 and 20 ⁇ m. This guarantees the electrical conductivity, contactability and also the mechanical stability for the construction of a supercapacitor single cell or stack.
  • the discrete - preferably regular - arrangement of the nanostructured elements of the electrode allows the Helmholtz layers to be formed more quickly and completely on the existing surface and thus a significant improvement in the performance characteristics.
  • Some metal oxides (e.g. Ru0 2 ) or conductive polymers allow energy storage in suitable electrolytes through surface redox reactions. The recharging of such redox systems on the electrode surface leads to the formation of the Helmholtz double layer and an additional electrode capacity (pseudo capacity).
  • This property can be achieved in the electrode of the present invention either by a thin ( ⁇ 10 nm) coating with an appropriate redox system (eg Ru0 2 ) or by direct formation of the nanostructured elements from precisely this material.
  • the individual cells are stacked on top of one another. This creates a series connection of individual capacitor elements via the conductive electrode films without additional contacting steps.
  • Fig. 3 shows an electrode as it is used in the supercapacitor according to the invention.
  • it consists of a self-supporting film 11 and nanostructured, discrete elements 12 anchored thereon, which are needle-shaped.
  • Discrete in the sense of the present invention means that they are separate elements, each with its own structure, ie not around interconnected elements, as is the case, for example, with a sponge-like structure.
  • FIG. 4 shows the SEM image of an electrode for the supercapacitor according to the invention. It consists of a self-supporting metal foil 11 and nanostructured metallic elements 12 anchored thereon. The nanostructured needle-shaped elements are oriented in this embodiment essentially perpendicular to the surface of the foil and evenly distributed over the surface of the foil.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the production of a supercapacitor according to the invention with an interdigital structure.
  • the starting point is a nanostructured, in particular metallic, electrode 10 with discrete, needle-shaped elements 12, which are preferably arranged regularly.
  • the thin-film electrolyte 13 is applied to the surface of the electrode 10, in particular to the needle-shaped elements 12, by means of dip coating.
  • electrolyte 13 e.g. a polyelectrolyte can be used.
  • the distance between the needle-shaped, nanostructured elements 12 is set such that after the polyelectrolyte coating, the remaining spaces can be filled with a metal, so that a conductive, coherent counterelectrode 20 results.
  • the counter electrode thus completely fills the spaces between the needle-shaped elements 12.
  • the needle-shaped elements 12 extend into the material of the counterelectrode and are surrounded on all sides (with the exception of its base surface). Electrode 10 and counter electrode 20 are contacted via corresponding current-conducting contacts 15, 16. 5, the electrolyte layer 13 occupies the entire space between the electrode and the counter electrode. Compared to the capacitors according to the prior art, there are significantly reduced charging paths. An additional mechanical separator is not required.
  • the anodic oxidation of an aluminum substrate creates a nanoporous oxide film with parallel, continuously cylindrical pores aligned perpendicular to the substrate surface.
  • the pore diameter can be set in the range of 15-500 nm, the surface density of the pores from approx. 1 to 500 per ⁇ m 2 , and the pore length up to 100 ⁇ m.
  • the oxide film is detached from the aluminum substrate, so that a ceramic nanoporous filter membrane is created. This membrane is vapor-coated on one side with a metallic film as a contact electrode. The film thickness is chosen so that the oxide pores are closed.
  • the vapor-deposited membrane is contacted and placed in a galvanic gold bath.
  • the oxide pores are filled from the vapor-deposited base electrode with the desired nanostructured elements
  • the base electrode is thickened to a metallic film in the micrometer range.
  • the oxide ceramic can then be selectively pickled using wet chemistry, so that the desired electrode film with conductively bonded nanostructured gold elements is produced.
  • the gold electrode is cleaned in hot ethanol / chloroform (1: 1), rinsed in water and dried and then coated by immersion in an aminoethanethiol / ethanol solution with a SAM, which carries a positive surface charge in neutral and aqueous solutions [Han et al, Electrochimica Acta 45, 845 (1999)]. Then, by alternately immersing in an aqueous Na-PSS solution (+ NaCI) rinsing and immersing in an aqueous PAH solution (+ NaCI), a polyelectrolyte layer system consisting of anionic and cationic polyelectrolyte layers is applied. The layer thickness can be adjusted to approx. 10 nm by the number of layers. For the further coating it is advantageous to finish with a cationic polyelectrolyte layer.
  • the thin film electrolyte thus formed is doped by electrostatic incorporation of suitable ions which can diffuse into the electrolyte layer from aqueous solution, e.g. B. Fe (CN) 6 4 (Han et al, see above)
  • suitable ions e.g. B. Fe (CN) 6 4 (Han et al, see above)
  • To form the counterelectrode it is advisable to apply negatively charge-stabilized gold colloids (see above) to the last cationic polyelectrolyte layer.
  • These colloids with a sufficiently small diameter ( ⁇ 10 nm) then serve as germ cells for the subsequent electroless metal deposition on the thin film electrolytes.
  • the remaining space is filled with gold so that a coherent metallic counter electrode is created.
  • the example described in this way uses gold as the electrode material, but analogous methods are also possible for nickel and other metals that can be electrolessly deposited.

Abstract

The invention relates to an electrochemical capacitor consisting of a single cell or a stack of single cells, each single cell comprising an electrode (10) and a counter-electrode (20) consisting of an electroconductive or semiconductive material, and an electrolyte (13). The inventive capacitor has the following features: the electrode (10) is made up of a nanostructured film, nanostructured, discreet, needle-shaped elements (12) being electroconductively fixed on a surface (11); the electrolyte (13) is configured in the form of a thin film electrolyte which covers the electrode (10) in the form of a layer and prevents electronic contact between the electrode (10) and the counter electrode (20); the discreet, needle-shaped elements (12) that are coated with the electrolyte (13) are embedded in the counter electrode (20). The invention also relates to a method for producing the inventive capacitor.

Description

Elektrochemischer KondensatorElectrochemical capacitor
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Kondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an electrochemical capacitor according to the preamble of patent claim 1.
Elektrochemische Kondensatoren, in der Literatur auch als Doppelschichtkondensatoren oder Superkondensatoren bezeichnet, sind elektrochemische Energiespeicher, die sich gegenüber Batterien durch eine deutlich höhere Leistungsdichte, 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 Elektrotraktion (Kraftfahrzeuge) und Telekommunikation. Hierbei kann durch Abfangen von Leistungsspitzen die Nennleistung der primären Energiequelle reduziert, die Lebensdauer und Reichweite verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems wesentlich verbessert werden.Electrochemical capacitors, also referred to in the literature as double-layer capacitors or supercapacitors, are electrochemical energy stores which are distinguished by a significantly higher power density compared to batteries and by an order of magnitude higher energy density than conventional capacitors. They are based on the potential-controlled formation of Helmholtz double layers and / or electrochemical redox reactions with high charge capacity and reversibility on electrically conductive electrode surfaces in suitable electrolytes. Priority potential areas of application with particular economic importance lie, for example, in the areas of electrical traction (motor vehicles) and telecommunications. By intercepting power peaks, the nominal power of the primary energy source can be reduced, the service life and range can be extended and the economy of the overall system can thus be significantly improved.
Zur Herstellung der Superkondensator-Elektroden haben sich die auf Aktivkohlenstoffen basierenden Werkstoffkonzepte durchgesetzt (BET-Oberflächen bis zu 2000m2/g), denen in Kombination mit organischen Elektrolyten hinsichtlich Lei- stungsdaten und Kosten derzeit das größte Marktpotential zugeschrieben wird. Es existieren erste Produkte im Kleinserienstadium, die Energiedichten von etwa 3Wh/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. 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.For the production of the supercapacitor electrodes, the material concepts based on active carbon have prevailed (BET surfaces up to 2000m 2 / g), which, in combination with organic electrolytes, currently have the greatest market potential in terms of performance data and costs. There are first products in the small series stage that achieve energy densities of about 3 Wh / kg, for example WO 98/15962 A1. Furthermore, there are a large number of concepts for producing these activated carbon supercapacitors or their electrodes, for example EP 0 712 143 A2, DE 197 24 712 A1. Typically, a maximum of 50 to 100 farads capacity per gram of the active electrode material can be achieved here. With these elements, the ratio of useful energy and storage weight is often still too small for use as peak load storage in order to be used economically in real applications. The optimization the performance data can take place via the capacitor structure (stack design) as well as the actual capacitor electrodes (surface structures and materials).
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 2000m2/g), so dass sich die Gesamtkapazität Cges aus der Reihenschaltung der einzelnen Elektrodenkapazitäten C^ und C2 ergibt. Die Grenzfrequenz des Kondensators wird im wesentlichen durch das Produkt aus Cges und der Summe der designabhängigen ohmschen Verlustwiderstände bestimmt.1 shows the basic structure of such a supercapacitor according to the prior art with the activated carbon electrodes 1, 2, the porous separator 3 and the electronic contacts 4, 5. The entire system is filled with a liquid electrolyte. 2 shows the associated equivalent circuit diagram. It utilizes the formation of Helmholtz capacity at a large geometric surface area of the two activated carbon electrodes (up to 2000m 2 / g), so the total capacitance Cg that it consists of the series connection of the individual electrode capacitances C ^ and C 2 is obtained. The cutoff frequency of the capacitor is substantially saturated by the product of C and determines the sum of the design-dependent ohmic resistance loss.
Der Kontaktwiderstand der Elektroden zum Stromabnehmer des Kondensatorgehäuses ist durch Rc gegeben, die elektronische Leitfähigkeit der Elektrode selbst durch RE|. Der Elektrolytwiderstand REs wird durch die Leitfähigkeit des Elektrolyten in den Poren der Elektroden bestimmt, während der Separatorwiderstand RSEP die Elektro- lytleitfähigkeit in Separotorbereich 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.The contact resistance of the electrodes to the current collector of the capacitor housing is given by R c , the electronic conductivity of the electrode itself by R E |. The electrolyte resistance R E s is determined by the conductivity of the electrolyte in the pores of the electrodes, while the separator resistance R SE P represents the electrolyte conductivity in the separator area and is essentially a function of the porosity and the thickness of the separator. To minimize the loss resistances, an electrode material with good electronic conductivity and connectivity, an electrolyte with good ionic conductivity and a thin separator with high porosity are required.
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 2nm liegen, kann bei diesem Elektrodenmaterial die Helmholtz-Speicherschicht nicht vollständig an der tatsächlich vorhandenen Oberfläche ausgebildet werden.Activated carbon materials have an extremely high porous surface, but the distribution of pore sizes is very wide and extends down to the range of «1 nm. Since typical Helmholtz layer thicknesses are even up to 2 nm, the Helmholtz storage layer can be used with this electrode material are not completely formed on the surface actually present.
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.The typically rather sponge-like geometry of activated carbon materials also has a disadvantageous effect on the frequency behavior of the capacitance. Because for the electrolyte it is synonymous with relatively long and narrow paths and therefore inevitably linked to a relatively high electrolyte resistance R E L. This leads to a reduction in the cutoff frequency of the overall component, ie even at moderate frequencies (typically around 1 Hz), only a fraction of the electrode capacity available with direct voltage can be used.
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 Energiespeicherdichte drastisch reduzieren.In addition to the negative effect on frequency behavior already described, a large ohmic resistance also causes dissipative losses, which further restrict the possible uses due to the associated thermal load on the component or, with appropriate design measures (cooling plates, etc.), the usable mass and volume-related Drastically reduce energy storage density.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Kondensator zu schaffen, der eine deutliche Reduzierung der Gesamtheit der Verlustwiderstände ermöglicht.The object of the invention is to provide an electrochemical capacitor which enables a significant reduction in the totality of the loss resistances.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kondensators sind Gegenstand weiterer Ansprüche.This object is achieved with the subject matter of patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention and a method for producing the capacitor according to the invention are the subject of further claims.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Kondensator weist eine elektrisch leitfähige oder halbleitende Elektrode auf, die aus einem nanostrukturierten Film gebildet ist, bei dem nanostrukturierte diskrete, nadeiförmige Elemente auf einer Oberfläche elektrisch leitfähig verankert sind. Nanostrukturiertes Element im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet dabei eine Materialstruktur mit Abmessungen wenigstens einer Strukturdimension im Nanometerbereich (<1 μm).The electrochemical capacitor according to the invention has an electrically conductive or semiconducting electrode which is formed from a nanostructured film in which nanostructured discrete, needle-shaped elements are anchored in an electrically conductive manner on a surface. Nanostructured element in the sense of the present invention refers to a material structure with dimensions of at least one structural dimension in the nanometer range (<1 μm).
Der Elektrolyt liegt als Dünnfilmelektrolyt vor, der die Oberfläche der nanostrukturierten Elektrode, insbesondere die Oberfläche der nadeiförmigen Elemente, schichtför- mig überzieht.The electrolyte is in the form of a thin-film electrolyte which coats the surface of the nanostructured electrode, in particular the surface of the needle-shaped elements.
Die diskreten, nadeiförmigen, mit dem Elektrolyt überzogenen Elemente sind in der Gegenelektrode eingebettet. Der erfindungsgemäße Kondensator weist somit eine Interdigitalstruktur auf. Elektrode 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.The discrete, needle-shaped elements coated with the electrolyte are embedded in the counter electrode. The capacitor according to the invention thus has an interdigital structure. Electrode and counter electrode interlock. The thin film electrolyte fills the entire space between the electrode and the counter electrode. A supercapacitor with geometrically significantly shorter charging paths and reduced ohmic loss resistances is thus made possible.
Der Elektrolyt übernimmt die Funktion eines geometrischen Separators und verhindert gleichzeitig einen elektronischen Kontakt zwischen Elektrode und Gegenelektrode. Somit kann auf den mechanischen porösen Separator gemäß den bekannten, oben erwähnten Kondensatoren verzichtet werden.The electrolyte acts as a geometric separator and at the same time prevents electronic contact between the electrode and the counter electrode. The mechanical porous separator according to the known capacitors mentioned above can thus be dispensed with.
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 100nm, insbesondere nicht größer als 50nm.The electrolyte is preferably designed as a gel-like or solid thin film. In advantageous embodiments, the layer thickness of the electrolyte is not greater than 1 μm, preferably not greater than 100 nm, in particular not greater than 50 nm.
Der Dünnfilmelektrolyt müss einerseits die beiden Kondensatorelektroden elektronisch 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.The thin-film electrolyte must on the one hand electronically separate the two capacitor electrodes from one another (electronic insulator) on the other hand must have a high ionic conductivity and be doped with suitable mobile ionic charge carriers which are required to form Helmholtz double layers on the electrode surfaces.
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-Special organic or inorganic ultra-thin layers can be used for this, which have become a focus in the development of nanostructured materials in recent years. Often simple self-assembly processes (e.g. self-assembled
Monolayers, SAMs) ausgenutzt werden, womit das Aufbringen dieser Monoschichten durch einfaches Eintauchen des Substrats in die entsprechende Lösung erfolgt.Monolayers, SAMs) are used, which means that these monolayers are applied by simply immersing the substrate in the corresponding solution.
Eine wichtige Erweiterung dieses Selbstorganisationskonzepts besteht in der Ab- Scheidung kationischer oder anionischer Polyelektrolyte (Polymerketten mit ionisch dissoziierbaren Gruppen, lonic Seif 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. Beispielsweise 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).An important extension of this self-organization concept consists in the separation of cationic or anionic polyelectrolytes (polymer chains with ionically dissociable groups, lonic soap assembling monolayers, ISAMs) from aqueous solutions [G. Decher, Science 277, 1232 (1997)]. In the case of SAMs, the molecules are bound via chemisorption (e.g. thiol group substrate, covalent bond), this mechanism is advantageous here through physisorption, thus determined purely electrostatic interactions. This approach thus allows decisive advantages in the construction of multilayer systems (alternation of positive and negative polyelectrolytes, so-called layer-by-layer technology) and represents the more general concept for the synthesis of supramolecular architectures. For example, in G. Decher, Adv. Mater. 9, 61 (1997) showed how, from aqueous solution, negatively charge-stabilized gold colloids can be applied to a cationic polyelectrolyte layer by electrostatic interaction and then covered with a cationic polyelectrolyte layer (sandwich multilayer structure).
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.The layers are characterized by an extremely low defect density, and the layer thicknesses in the range of a few nanometers can be easily controlled via concentration, chain lengths or activities of the end groups.
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 Ladungsträgern (elektrostatische Wechselwirkung) als auch verschwindende elektronische Leitfähigkeit nachgewiesen. Das Schichtsystem kann durch einfaches Eintauchen in entsprechende wässrige Lösungen aufgebracht werden und ist damit ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Dünnfilmelektrolyt in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Kondensator.In recent studies of the physical and chemical properties of these polyelectrolyte layer systems [Han et al, Electrochimica Acta 45, 845 (1999)], very good ionic conductivity and dopability with ionic charge carriers (electrostatic interaction) as well as vanishing electronic conductivity have been demonstrated. The layer system can be applied by simply immersing it in corresponding aqueous solutions and is therefore a preferred exemplary embodiment of a thin-film electrolyte in the electrochemical capacitor according to the invention.
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. 9nm) zwischen zwei Quecksilbertropfen als Kondensatorelektroden eingebracht, die Dielektrizität dieses Materials sowie die Durchschlagsfeldstärke bestimmt und Fehlstellenfreiheit (d. h. Kurzschlussfreiheit) eindrucksvoll nachgewiesen.The feasibility of SAMs as only a few nanometers thick dielectric for capacitors is first described in Rampi et al, Appl. Phys. Lett. 72, 1781 (1998). Two monolayers are placed as a dielectric (thickness approx. 9nm) between two drops of mercury as capacitor electrodes, the dielectric of this material and the breakdown field strength are determined and the absence of defects (i.e. freedom from short circuits) is impressively demonstrated.
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.At this point it should be clearly pointed out that the polyelectrolyte layer system described above does not play the role of an electronically insulating dielectric cum in the dielectric capacitor, but the role of an ionically doped thin film electrolyte in an electrochemical capacitor.
Die erfindungsgemäße nanostrukturierte Elektrode aus einem Film mit nadeiförmigen 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 40μF/cm2. Die Flächendichte der nanostrukturierten nadeiförmigen Elemente liegt bevorzugt im Bereich von 1-500 pro μm2, deren Durchmesser bevorzugt im Bereich von 15-500nm, womit z. B. für metallische Strukturen die notwendige Materialstabilität gewährleistet wird. Das Aspektverhältnis (Verhältnis zwischen Höhe und mittlerem Durchmesser) der nanostrukturierten nadeiförmigen Elemente ist in vorteilhaften Ausführungen größer als 20. Die nanostrukturierten diskreten nadeiförmigen Elemente können entweder als Vollzylinder, als Hohlzylinder (Röhrchen) oder als Vollzylinder mit innerer schwamm- artiger Porosität zu einer zusätzlichen Oberflächenvergrößerung vorliegen.The nanostructured electrode according to the invention made of a film with needle-shaped elements has a large effective surface for forming the Helmholtz storage layer. Their size on a flat metallic surface is typically about 40μF / cm 2 in the aqueous electrolyte. The areal density of the nanostructured needle-shaped elements is preferably in the range of 1-500 per μm 2 , the diameter of which is preferably in the range of 15-500nm. B. the necessary material stability is guaranteed for metallic structures. The aspect ratio (ratio between height and average diameter) of the nanostructured needle-shaped elements is advantageously larger than 20. The nanostructured discrete needle-shaped elements can either be a solid cylinder, a hollow cylinder (tube) or a solid cylinder with an inner sponge-like porosity for an additional surface enlargement available.
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- fallen (galvanisch abscheidbare Metalle), insbesondere Nickel, Gold oder leitfähigen Polymeren erzeugt werden kann.A further advantage of the supercapacitor according to the invention is that the nanostructured electrode film can be produced from any semiconducting or conductive materials such as metals, noble metals, galvanomains (galvanically depositable metals), in particular nickel, gold or conductive polymers, using suitable manufacturing processes.
Die Herstellung der Trägerfolie der Elektrode und hierauf das Wachstum der nanostrukturierten Elemente kann bei Einsatz elektrochemischer Abscheidung in einem Arbeitsschritt erfolgen. Die Dicke der Trägerfolie ist dabei vorteilhaft zwischen 1 und 20μm einzustellen. Damit wird die elektrische Leitfähigkeit, Kontaktierbarkeit und auch die mechanische Stabilität zum Aufbau einer Superkondensator-Einzelzelle bzw. Stapels garantiert.The production of the carrier foil of the electrode and the growth of the nanostructured elements thereupon can be carried out in one work step when using electrochemical deposition. The thickness of the carrier film is advantageously set between 1 and 20 μm. This guarantees the electrical conductivity, contactability and also the mechanical stability for the construction of a supercapacitor single cell or stack.
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 Leistungscharakteristik. Einige Metalloxide (z. B. Ru02) oder leitfähige Polymere erlauben in geeigneten Elektrolyten eine Energiespeicherung durch an der Oberfläche ablaufende Redoxreaktionen. Die Umladung solcher Redoxsysteme an der Elektrodenoberfläche führt neben der Ausbildung der Helmholtz-Doppelschicht zu einer zusätzlichen Elektrodenkapazität (Pseudokapazität). Diese Eigenschaft kann bei der Elektrode der vorliegenden Erfindung entweder durch eine dünne (<10nm) Beschichtung mit einem entsprechenden Redoxsystem (z. B. Ru02) oder durch direkte Bildung der nanostrukturierten Elemente aus eben diesem Material erreicht werden.In contrast to the known sponge-like electrode structures, the discrete - preferably regular - arrangement of the nanostructured elements of the electrode allows the Helmholtz layers to be formed more quickly and completely on the existing surface and thus a significant improvement in the performance characteristics. Some metal oxides (e.g. Ru0 2 ) or conductive polymers allow energy storage in suitable electrolytes through surface redox reactions. The recharging of such redox systems on the electrode surface leads to the formation of the Helmholtz double layer and an additional electrode capacity (pseudo capacity). This property can be achieved in the electrode of the present invention either by a thin (<10 nm) coating with an appropriate redox system (eg Ru0 2 ) or by direct formation of the nanostructured elements from precisely this material.
Zum Aufbau des Stapels werden die Einzelzellen aufeinander gestapelt. Somit entsteht über die leitfähigen Elektrodenfilme eine Reihenschaltung einzelner Kondensatorelemente ohne zusätzliche Kontaktierschritte.To build up the stack, the individual cells are stacked on top of one another. This creates a series connection of individual capacitor elements via the conductive electrode films without additional contacting steps.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail using exemplary embodiments with reference to drawings. Show it:
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 Beschreibungseinleitung erläutert;1: the basic structure of a classic supercapacitor according to the prior art, as explained in the introduction to the description; 2: the equivalent circuit diagram of a supercapacitor, as explained in the introduction to the description;
Fig. 3: die Prinzipskizze einer regelmäßig nanostrukturierten metallischen Dünnschichtelektrode eines erfindungsgemäßen Superkondensators;3: the schematic diagram of a regularly nanostructured metallic thin-film electrode of a supercapacitor according to the invention;
Fig. 4: REM-Aufnahme einer Ausführungsform einer regelmäßig nanostrukturierten metallischen Dünnschichtelektrode eines erfindungsgemäßen Superkondensators;4: SEM image of an embodiment of a regularly nanostructured metallic thin-film electrode of a supercapacitor according to the invention;
Fig. 5: Prinzipskizze zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Superkondensators.5: schematic diagram for the production of a supercapacitor according to the invention.
Fig. 3 zeigt eine Elektrode, wie sie in dem erfindungsgemäßen Superkondensator eingesetzt wird. Sie besteht in dieser Ausführung aus einer freitragenden Folie 1 1 und hierauf verankerten nanostrukturierten, diskreten Elementen 12, die nadeiförmig 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. 3 shows an electrode as it is used in the supercapacitor according to the invention. In this embodiment, it consists of a self-supporting film 11 and nanostructured, discrete elements 12 anchored thereon, which are needle-shaped. Discrete in the sense of the present invention means that they are separate elements, each with its own structure, ie not around interconnected elements, as is the case, for example, with a sponge-like structure.
Fig. 4 zeigt die REM-Aufnahme einer Elektrode für den erfindungsgemäßen Super- kondensator. Sie besteht aus einer freitragenden Metall-Folie 11 und hierauf verankerten nanostrukturierten metallischen Elementen 12. Die nanostrukturierten nadeiförmigen Elemente sind die dieser Ausführung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Folie orientiert und gleichmäßig über die Oberfläche der Folie verteilt.4 shows the SEM image of an electrode for the supercapacitor according to the invention. It consists of a self-supporting metal foil 11 and nanostructured metallic elements 12 anchored thereon. The nanostructured needle-shaped elements are oriented in this embodiment essentially perpendicular to the surface of the foil and evenly distributed over the surface of the foil.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Herstellung eines erfindungsgemäßen Superkondensators mit Interdigitalstruktur. Man geht aus von einer nanostrukturierten, insbesondere metallischen Elektrode 10 mit diskreten, nadeiförmigen Elementen 12, die bevorzugt regelmäßig angeordnet sind. Auf die Oberfläche der Elektrode 10, insbesondere auf die nadeiförmigen Elemente 12, wird der Dünnfilmelektrolyt 13 mittels Tauchbeschichtung aufgebracht. Als Elektrolyt 13 kann z.B. ein Polyelektrolyt eingesetzt werden. Der Abstand der nadeiförmigen, nanostrukturierten Elemente 12 ist so eingestellt, dass nach der Polyelektrolyt-Beschichtung die verbleibenden Zwischenräume mit einem Metall aufgefüllt werden können, so dass sich eine leitfähige, zusammenhängende Gegenelektrode 20 ergibt. Die Gegenelektrode füllt somit die Zwischenräume zwischen den nadeiförmigen Elementen 12 vollständig aus. Die nadeiförmigen Elemente 12 erstrecken sich in das Material der Gegenelektrode hinein und sind allseitig (mit Ausnahme an ihrer Basisfläche) von dieser umgeben. Die Kontaktierung von Elektrode 10 und Gegenelektrode 20 erfolgt über entsprechende stromleitenden Kontakte 15,16. Wie man aus der Fig. 5 gut erkennen kann, nimmt die Elektrolytschicht 13 den gesamten Zwischenraum zwischen Elektrode und Gegenelektrode ein. Es ergeben sich gegenüber den Kondensatoren nach dem Stand der Technik wesentlich verringerte Ladewege. Ein zusätzlicher mechanischer Separator wird nicht benötigt.5 shows a schematic representation of the production of a supercapacitor according to the invention with an interdigital structure. The starting point is a nanostructured, in particular metallic, electrode 10 with discrete, needle-shaped elements 12, which are preferably arranged regularly. The thin-film electrolyte 13 is applied to the surface of the electrode 10, in particular to the needle-shaped elements 12, by means of dip coating. As electrolyte 13 e.g. a polyelectrolyte can be used. The distance between the needle-shaped, nanostructured elements 12 is set such that after the polyelectrolyte coating, the remaining spaces can be filled with a metal, so that a conductive, coherent counterelectrode 20 results. The counter electrode thus completely fills the spaces between the needle-shaped elements 12. The needle-shaped elements 12 extend into the material of the counterelectrode and are surrounded on all sides (with the exception of its base surface). Electrode 10 and counter electrode 20 are contacted via corresponding current-conducting contacts 15, 16. 5, the electrolyte layer 13 occupies the entire space between the electrode and the counter electrode. Compared to the capacitors according to the prior art, there are significantly reduced charging paths. An additional mechanical separator is not required.
Im nachfolgenden Beispiel wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kondensators im Labormaßstab beschrieben. Im großtechnischen Maßstab können prinzipiell ähnliche Methoden zur Anwendung kommen. BeispielThe following example describes the production of a capacitor according to the invention on a laboratory scale. In principle, similar methods can be used on an industrial scale. example
Bei der anodischen Oxidation eines Aluminiumsubstrats entsteht ein nanoporöser Oxidfilm mit parallelen, durchgehend zylinderförmigen und senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichteten Poren. Die Porendurchmesser können im Bereich von 15-500nm, die Flächendichte der Poren von ca. 1 bis 500 pro μm2, und die Porenlänge bis zu 100μm 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 Abschei-dung werden einerseits die Oxidporen von der aufgedampften Grundelektrode her mit den gewünschten nanostrukturierten Elementen aufgefüllt, andererseits wird die Grundelektrode zu einem metallischen Film im Mikrometerbereich aufgedickt. Anschließend kann die Oxidkeramik nasschemisch selektiv abgebeizt werden, so dass der gewünschte Elektrodenfilm mit leitfähig angebundenen nanostrukturierten Gold-Elementen entsteht.The anodic oxidation of an aluminum substrate creates a nanoporous oxide film with parallel, continuously cylindrical pores aligned perpendicular to the substrate surface. The pore diameter can be set in the range of 15-500 nm, the surface density of the pores from approx. 1 to 500 per μm 2 , and the pore length up to 100 μm. The oxide film is detached from the aluminum substrate, so that a ceramic nanoporous filter membrane is created. This membrane is vapor-coated on one side with a metallic film as a contact electrode. The film thickness is chosen so that the oxide pores are closed. In order to produce nanostructured gold elements on a gold film, the vapor-deposited membrane is contacted and placed in a galvanic gold bath. In the case of galvanic deposition, on the one hand the oxide pores are filled from the vapor-deposited base electrode with the desired nanostructured elements, on the other hand the base electrode is thickened to a metallic film in the micrometer range. The oxide ceramic can then be selectively pickled using wet chemistry, so that the desired electrode film with conductively bonded nanostructured gold elements is produced.
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 (+NaCI) Spülen und Eintauchen in eine wässrige PAH-Lösung (+NaCI) ein Polyelektrolytschichtsystem aus anionischen und kationischen Polyelektrolytschich- ten aufgebracht. Die Schichtdicke kann durch die Anzahl der Schichten bis auf ca. 10nm eingestellt werden. Für die weitere Beschichtung ist es vorteilhaft, mit einer kationischen Polyelektrolytschicht abzuschließen.The gold electrode is cleaned in hot ethanol / chloroform (1: 1), rinsed in water and dried and then coated by immersion in an aminoethanethiol / ethanol solution with a SAM, which carries a positive surface charge in neutral and aqueous solutions [Han et al, Electrochimica Acta 45, 845 (1999)]. Then, by alternately immersing in an aqueous Na-PSS solution (+ NaCI) rinsing and immersing in an aqueous PAH solution (+ NaCI), a polyelectrolyte layer system consisting of anionic and cationic polyelectrolyte layers is applied. The layer thickness can be adjusted to approx. 10 nm by the number of layers. For the further coating it is advantageous to finish with a cationic polyelectrolyte layer.
Die Dotierung des somit gebildeten Dünnfilmelektrolyten erfolgt durch elektrostatische 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 Polyelektrolytschicht negativ ladungsstabilisierte Goldkolloide (s. o.) aufzubringen. Diese Kolloide mit einem ausreichend kleinen Durchmesser (<10nm) dienen dann als Keimzellen für die nachfolgende stromlose Metallabscheidung auf den Dünnfilmelektrolyten. Es wird der verbleibende Zwischenraum mit Gold aufgefüllt, so dass eine zusammenhängende metallische Gegenelektrode entsteht.The thin film electrolyte thus formed is doped by electrostatic incorporation of suitable ions which can diffuse into the electrolyte layer from aqueous solution, e.g. B. Fe (CN) 6 4 (Han et al, see above) To form the counterelectrode, it is advisable to apply negatively charge-stabilized gold colloids (see above) to the last cationic polyelectrolyte layer. These colloids with a sufficiently small diameter (<10 nm) then serve as germ cells for the subsequent electroless metal deposition on the thin film electrolytes. The remaining space is filled with gold so that a coherent metallic counter electrode is created.
Das so beschriebene Beispiel verwendet Gold als Elektrodenmaterial, analoge Verfahren sind aber auch für Nickel und andere stromlos abscheidbaren Metalle möglich. The example described in this way uses gold as the electrode material, but analogous methods are also possible for nickel and other metals that can be electrolessly deposited.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Elektrochemischer 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (10) aus einem nanostrukturierten Film gebildet ist, bei dem nanostrukturierte diskrete, nadeiförmige Elemente (12) auf einer Oberfläche1 . Electrochemical capacitor consisting of a single cell or a stack of single cells, each individual cell comprising an electrode (10) and a counter electrode (20) made of an electrically conductive or semiconducting material and an electrolyte (13), characterized in that the electrode (10) is made of a nanostructured film is formed, in which nanostructured discrete, needle-shaped elements (12) on a surface
(1 1 ) elektrisch leitfähig verankert sind, der Elektrolyt (13) als Dünnfilmelektrolyt ausgebildet ist, der die Elektrode (10) schichtförmig überzieht und einen elektronischen Kontakt zwischen Elektrode (10) und Gegenelektrode (20) verhindert; die diskreten, nadeiförmigen, mit dem Elektrolyt (13) überzogenen Elemente(1 1) are anchored in an electrically conductive manner, the electrolyte (13) is designed as a thin-film electrolyte, which covers the electrode (10) in a layer-like manner and prevents electronic contact between the electrode (10) and counter-electrode (20); the discrete, needle-shaped elements coated with the electrolyte (13)
(12) in der Gegenelektrode (20) eingebettet sind.(12) are embedded in the counter electrode (20).
2. Elektrochemischer Kondensator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Elektrolyten (13) nicht größer als 1 μm, bevorzugt nicht größer als 100nm, insbesondere nicht größer als 50nm ist.2. Electrochemical capacitor according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the electrolyte (13) is not greater than 1 μm, preferably not greater than 100 nm, in particular not greater than 50 nm.
3. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (13) aus einem gel-artigen lonenleitermaterial besteht.3. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte (13) consists of a gel-like ion conductor material.
4. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (13) aus einem Festkörper- lonenleitermaterial besteht.4. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte (13) consists of a solid ion conductor material.
5. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einem Schichtsystem anioni scher und/oder kationischer Polyelektrolyte besteht. 5. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte consists of a layer system anionic shear and / or cationic polyelectrolytes.
6. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (13) mit beweglichen ionischen Ladungsträgern dotiert ist.6. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte (13) is doped with movable ionic charge carriers.
7. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte der nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) zwischen 1 und 500 pro μm2 liegt.7. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the areal density of the nanostructured elements (12) of the electrode (10) is between 1 and 500 per μm 2 .
8. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der8. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (12) of the
Elektrode (10) ein Aspektverhältnis größer als 20 aufweisen.Electrode (10) have an aspect ratio greater than 20.
9. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elek- trode (10) einen Durchmesser zwischen 15 und 500 nm aufweisen.9. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (12) of the electrode (10) have a diameter between 15 and 500 nm.
10. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) als Hohlzylinder oder Vollzylinder ausgebildet sind.10. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (12) of the electrode (10) are designed as hollow cylinders or solid cylinders.
11. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente (12) der Elektrode (10) eine innere Porosität aufweisen.11. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (12) of the electrode (10) have an internal porosity.
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.12. Electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (12) of the electrode (10) are coated with a redox material or consist entirely of this material.
13. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Kondensators nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Aufbringen der Elektrolytschicht (13) auf die nanostrukturierte Elektrode (10) durch Tauchbeschichtung;13. A method for producing an electrochemical capacitor according to one of the preceding claims, characterized by the following method steps: Applying the electrolyte layer (13) to the nanostructured electrode (10) by dip coating;
Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den diskreten, nadeiförmigen, mit dem Elektrolyt (13) überzogenen Elementen (12) der Elektrode (10), so dass eine zusammenhängende Gegenelektrode (20) entsteht. Filling the spaces between the discrete, needle-shaped elements (12) of the electrode (10) coated with the electrolyte (13), so that a coherent counter electrode (20) is formed.
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