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2.3 Stand der Wissenschaft und Technik
2.3 STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK
Im Folgenden wird ein Überblick über die Materialforschungsaktivitäten der letzten Jahre im
Bereich der Aktivkohlenstoffe für elektrochemische Doppelschichtkondensatoren gegeben.
Außerdem wird ein Einblick in bereits kommerziell erhältliche Superkondensator-Bauteile
gewährt und in ausgewählten Beispielen deren heutiger Einsatz beleuchtet. Dabei wird ausschließlich
auf die Bauart des aktivkohlenstoffbasierten elektrochemischen Doppelschichtkondensators
eingegangen. Allerdings wird die kurze Einführung in den Stand der Wissenschaft
und Technik nicht dem Anspruch auf Vollständigkeit gerecht, da dies den Rahmen der
vorliegenden Arbeit überschreiten würde.
STAND DER WISSENSCHAFT
Zahlreiche Arbeitsgruppen bemühen sich seit einigen Jahren, die Frage zu beantworten:
Welche Materialeigenschaften des Aktivkohlenstoffes sind für die Anwendung im Superkondensator
ideal? Die Veröffentlichungen gehen dabei meist auf die detaillierte Untersuchung
des Adsorptionsprozesses der Elektrolytionen im hochporösen Kohlenstoffnetzwerk
ein, da dieser Mechanismus für die Haupteigenschaft einer hohen spezifischen oder volumetrischen
Kapazität ausschlaggebend ist. Dabei besteht die Möglichkeit, das Elektrodenmaterial
mit seinen Porositätseigenschaften an den verwendeten Elektrolyt anzupassen oder in
jüngster Vergangenheit werden auch immer mehr die Eigenschaften der Elektrolytsysteme
untersucht, um diese an das verwendete Elektrodenmaterial anzupassen.
Als ältere Veröffentlichungen vor dem Jahr 2000 sind einige aus der Forschungsgruppe um
B. KASTENING von der Universität Hamburg zu nennen, die sich bereits damals schon mit dem
komplexen Zusammenspiel von Elektrolyt und Porenstruktur und vor allem auch mit den
elektronischen Eigenschaften von Aktivkohlenstoff befasst haben [60 – 65]. Jedoch in jüngster
Vergangenheit ermöglicht beispielsweise eine Chlorierung von Titancarbiden mit unterschiedlichen
Herstellungsbedingungen die exakte Einstellung gewünschter Porengrößen im Ausgangsmaterial,
wodurch heutzutage sehr gut die Wechselwirkungen zwischen Porengrößen
und Ionengrößen des Elektrolyts erforscht werden können. Dieses Verfahren bildete auch die
Grundlage für die im Jahr 2006 veröffentlichte Abhandlung von CHMIOLA et al. mit dem
bereits sehr aussagekräftigen Titel „Anomalous increase in carbon capacitance at pore sizes
less than 1 nanometer“ [66]. Die Autoren postulieren eine um 100 % gesteigerte Kapazität
durch die Anpassung der Porengröße im Kohlenstoff an den Durchmesser der Elektrolytionen.
Allerdings wurden auch sehr hohe Kapazitäten erreicht, für Porengrößen, die eigentlich für die
Ionen unzugänglich sind. Somit wird zudem die These aufgestellt, dass die Solvathülle der
Ionen stark deformiert wird, wenn diese durch eine anliegende Spannungsquelle in die Poren
gedrückt werden. Folglich sind Poren, die kleiner als der Durchmesser eines solvatisierten Ions
sind, auch zugänglich für die Elektrolytionen und tragen zum Adsorptionsprozess und damit zur
Kapazitätsgenerierung bei. Im gleichen Jahr veröffentlichten RAYMUNDO-PIÑERO et al. eine
Abhandlung über die Wechselwirkungen der porösen Struktur in Aktivkohlenstoffen und deren
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