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5. Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
5.1.9 WÄSSRIGE ELEKTROLYTSYSTEME
Neben der Verwendung von organischen Elektrolyten für die Anwendung bis zu Spannungen
von 3.0 V, können Superkondensatoren auch in wässrigen Elektrolyten betrieben werden. Für
die Einschätzung des Verhaltens und der Eigenschaften in einem anderen Elektrolytsystem
wurden die hergestellten Aktivkohlenstoffe auch in sauren und basischen Elektrolyten
elektrochemisch vermessen. Allerdings kann dabei die zyklische Voltammetrie nur unterhalb
der Zersetzungsspannung von Wasser durchgeführt werden, wodurch standardisiert nur bis zu
einer Spannung von 0.8 V geladen und entladen wurde. Für die Charakterisierung in den drei
wässrigen Elektrolyten von 1-molarer und 3.8-molarer Schwefelsäure, sowie 6-molarer Kalilauge,
wurde der Kohlenstoff aus einer bei 1100°C karbonisierten Braunalge Lessonia
nigrescens herangezogen. In Abbildung 5.30 sind die drei CV-Kurven aus der zyklischen
Voltammetrie bei einer Spannung von 0.8 V und einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 mV/s
gezeigt. Dabei erreichte der Kohlenstoff mit der Oberfläche von 1266 m 2 /g in dem sauren
Elektrolyt der 1-molaren Schwefelsäure einen spezifischen Elektrodenkapazitätswert von
112 F/g. Bei der maximalen Leitfähigkeitskonzentration der Schwefelsäure von 3.8-molar,
konnte ein Wert von 129 F/g und im basischen Elektrolyt der 6-molaren Kalilauge konnte der
höchste spezifische Kapazitätswert mit 153 F/g erreicht werden. Allerdings ist hier an der
Abweichung von der rechteckigen Form des CV-Kurvenverlaufs erkennbar, dass bereits im
Rahmen dieses geringen Spannungsfensters Redox-Reaktionen auftreten. Diese sind jedoch
reversibel, da sie einmal beim Laden im positiven ersten Quadranten und dann punktsymmetrisch
beim Entladen im vierten negativen Quadranten erneut auftreten. Ein leichter
Ansatz von unerwünschten chemischen Reaktionen während den Lade- und Entladevorgängen
ist auch bei der höher konzentrierten Schwefelsäure erkennbar, die sich aber in der 1-molaren
Schwefelsäure nicht zeigen. Aus dem galvanostatischen Zyklisieren bei einer Spannung von
0.8 V lässt sich die Abhängigkeit der Energie von der Leistung, das Ragone-Diagramm,
generieren (siehe Abbildung 5.31). Der Kohlenstoff erreicht in der 1M H 2 SO 4 bei einer
charakteristischen Lade- und Entladezeit von 100 s eine spezifische Leistung von 200 W/kg bei
einer verfügbaren spezifischen Energie von 2 Wh/kg. Eine Steigerung dieser Werte um 25 %
wurde durch die Konzentrationserhöhung der Schwefelsäure von 1-molar auf 3.8-molar
ermöglicht. Aber da bereits die CV-Kurven die höchsten Kapazitätswerte gezeigt haben, sind
auch die höchsten Werte für Leistung und Energie dieses Kohlenstoffs in 6-molarer
Kaliumhydroxidlösung zu verzeichnen. Bei der identischen Lade- und Entladezeit von 100 s sind
hier eine spezifische Leistung von 300 W/kg und eine spezifische Energie von nahezu 3 Wh/kg
vorhanden. Erklären lassen sich die höchsten Werte für die Kalilauge aufgrund der unterschiedlichen
Wertigkeit und strukturellen Größe der dissoziierten Ionen der Schwefelsäure und
der Kaliumhydroxidlösung. Wie in Kapitel 4.5.3 beschrieben, dissoziiert Schwefelsäure in
Wasser zu H 3 O -Kationen und SO 4 2 -Anionen. Kaliumhydroxidlösung hat dagegen zwei einwertige
Ionen, das K -Kation und das OH -Anion. Auf atomarer Skala sind die solvatisierten
Ionen der Kalilauge in ihrem Durchmesser kleiner als ein Molekül aus fünf Atomen, wie es das
SO 4 2 -Anion ist. Sind die zu adsorbierenden Ionen kleiner, so können sich an der Kohlenstoffoberfläche
mehr Ionen anlagern und dadurch auch einen höheren Kapazitäts-, sowie
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