Superkondensator: Überbrückung der Lücke zwischen Batterien und Kondensatoren

Von Fouad Sabry

Was ist ein Superkondensator

Ein Superkondensator (SC), auch als Ultrakondensator bekannt, ist ein Hochleistungskondensator, der die Lücke zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien schließt. Er hat einen Kapazitätswert, der deutlich höher ist als der anderer Kondensatoren, aber er hat niedrigere Spannungsgrenzen als andere Kondensatoren. Es ist in der Lage, Ladung erheblich schneller aufzunehmen und abzugeben als Batterien, und es kann viel mehr Lade- und Entladezyklen überstehen als wiederaufladbare Batterien. Im Allgemeinen speichert es 10- bis 100-mal mehr Energie pro Volumen- oder Masseeinheit als Elektrolytkondensatoren.

Wie Sie davon profitieren

(I) Einblicke, und Validierungen zu folgenden Themen:

Kapitel 1: Superkondensator

Kapitel 2: Lithium-Ionen-Batterie

Kapitel 3: Wiederaufladbare Batterie

Kapitel 4: Zink-Luft-Batterie

Kapitel 5: Kondensatortypen

Kapitel 6: Flow-Batterie

Kapitel 7: Kondensator

Kapitel 8: Nanobatterien

Kapitel 9: Nanodot

Kapitel 10: Papierbatterie

Kapitel 11: Doppelschicht (Oberflächenforschung)

Kapitel 12: Lithium-Ionen-Kondensator

Kapitel 13: Nanoball-Batterien

Kapitel 14: Lithium-Luft-Batterie

Kapitel 15: Kohlenstoff aus Karbid

Kapitel 16: Pseudokondensator

Kapitel 17: Zink-Cer-Batterie

Kapitel 18: Aluminium-Ionen-Batterie

Kapitel 19: Pseudokapazität

Kapitel 20: Doppelschichtkapazität

Kapitel 21: Forschung an Lithium-Ionen-Batterien

(II) Antworten die öffentlichen Top-Fragen zu Superkondensatoren.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von Superkondensatoren in vielen Bereichen.

(IV) 17 Anhänge zur kurzen Erläuterung von 266 neuen Technologien in jeder Branche, um ein umfassendes 360-Grad-Verständnis der Superkondensatortechnologien zu erhalten.

An wen richtet sich dieses Buch?

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler , und diejenigen, die über grundlegendes Wissen oder Informationen für jede Art von Superkondensator hinausgehen möchten.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 18. Okt. 2022

Buchvorschau

Urheberrecht

Superkondensator Copyright © 2022 von Fouad Sabry. Alle Rechte vorbehalten.

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf in irgendeiner Form oder mit elektronischen oder mechanischen Mitteln, einschließlich Informationsspeicher- und -abrufsystemen, ohne schriftliche Genehmigung des Autors reproduziert werden. Die einzige Ausnahme ist ein Rezensent, der kurze Auszüge in einer Rezension zitieren kann.

Cover entworfen von Fouad Sabry.

Dieses Buch ist ein Werk der Fiktion. Namen, Charaktere, Orte und Ereignisse sind entweder Produkte der Phantasie des Autors oder werden fiktiv verwendet. Jede Ähnlichkeit mit realen Personen, lebenden oder toten, Ereignissen oder Schauplätzen ist völlig zufällig.

Bonus

Sie können eine E-Mail an [e-mail] mit dem Betreff Superkondensator: Überbrückung der Lücke zwischen Batterien und Kondensatoren senden und erhalten eine E-Mail mit den ersten Kapiteln dieses Buches.

Fouad Sabry

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Vorwort

Warum habe ich dieses Buch geschrieben?

Die Geschichte des Schreibens dieses Buches begann 1989, als ich Schüler der Secondary School of Advanced Students war.

Es ist bemerkenswert wie die STEM-Schulen (Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik), die jetzt in vielen fortgeschrittenen Ländern verfügbar sind.

STEM ist ein Lehrplan, der auf der Idee basiert, Schüler in vier spezifischen Disziplinen - Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik - in einem interdisziplinären und angewandten Ansatz auszubilden. Dieser Begriff wird typischerweise verwendet, um eine Bildungspolitik oder eine Lehrplanwahl in Schulen anzusprechen. Es hat Auswirkungen auf die Entwicklung der Arbeitskräfte, nationale Sicherheitsbedenken und die Einwanderungspolitik.

Es gab eine wöchentliche Klasse in der Bibliothek, in der jeder Schüler jedes Buch frei wählen und 1 Stunde lang lesen kann. Ziel des Kurses ist es, die Schüler zu ermutigen, andere Fächer als den Lehrplan zu lesen.

In der Bibliothek, während ich mir die Bücher in den Regalen ansah, bemerkte ich riesige Bücher, insgesamt 5.000 Seiten in 5 Teilen. Der Buchname ist The Encyclopedia of Technology, der alles um uns herum beschreibt, vomabsoluten Nullpunkt bis zu Halbleitern, fast jede Technologie wurde damals mit bunten Illustrationen und einfachen Worten erklärt. Ich fing an, die Enzyklopädie zu lesen, und natürlich konnte ich sie nicht in der 1-stündigen wöchentlichen Klasse beenden.

Also überzeugte ich meinen Vater, die Enzyklopädie zu kaufen. Mein Vater kaufte am Anfang meines Lebens alle technischen Werkzeuge für mich, den ersten Computer und die erste Technologie-Enzyklopädie, und beide haben einen großen Einfluss auf mich und meine Karriere.

Ich habe die gesamte Enzyklopädie in den Sommerferien dieses Jahres fertiggestellt, und dann begann ich zu sehen, wie das Universum funktioniert und wie man dieses Wissen auf alltägliche Probleme anwendet.

Meine Leidenschaft für die Technologie begann vor mehr als 30 Jahren und immer noch geht die Reise weiter.

Dieses Buch ist Teil von The Encyclopedia of Emerging Technologies, was mein Versuch ist, den Lesern die gleiche erstaunliche Erfahrung zu geben, die ich in der High School hatte, aber anstelle von Technologien des 20. Jahrhunderts  interessiere ich mich mehr für die aufkommenden Technologien, Anwendungen und Branchenlösungen des 21. Jahrhunderts.

The Encyclopedia of Emerging Technologies wird aus 365 Büchern bestehen, jedes Buch wird sich auf eine einzelne aufkommende Technologie konzentrieren. Sie können die Liste der neuen Technologien und ihre Kategorisierung nach Branchen im Teil von Coming Soon am Ende des Buches lesen.

365 Bücher, um den Lesern die Möglichkeit zu geben, ihr Wissen über eine einzige aufstrebende Technologie jeden Tag im Laufe eines Jahres zu erweitern.

Einleitung

Wie habe ich dieses Buch geschrieben?

In jedem Buch von The Encyclopedia of Emerging Technologies versuche ich, sofortige, rohe Sucheinblicke direkt aus den Köpfen der Menschen zu erhalten und ihre Fragen über die aufkommende Technologie zu beantworten.

Es gibt jeden Tag 3 Milliarden Google-Suchanfragen, von denen 20% noch nie zuvor gesehen wurden. Sie sind wie ein direkter Draht zu den Gedanken der Menschen.

Manchmal ist das Wie entferne ich Papierstaus. In anderen Fällen sind es die schmerzhaften Ängste und geheimen Sehnsüchte, die sie immer nur mit Google teilen würden.

In meinem Bestreben, eine unerschlossene Goldgrube an Inhaltsideen über Superkondensator zu entdecken, benutze ich viele Tools, um Autocomplete-Daten von Suchmaschinen wie Google zu hören, und kurbele dann schnell jede nützliche Phrase und Frage heraus, die die Leute um das Schlüsselwort Superkondensator herum fragen.

Es ist eine Goldgrube an Menscheneinblicken, die ich nutzen kann, um frische, äußerst nützliche Inhalte, Produkte und Dienstleistungen zu erstellen. Die freundlichen Menschen, wie Sie, wollen es wirklich.

Personensuchen sind der wichtigste Datensatz, der jemals über die menschliche Psyche gesammelt wurde. Daher ist dieses Buch ein Live-Produkt und wird ständig durch immer mehr Antworten auf neue Fragen zum Thema Superkondensator aktualisiert, die von Menschen wie Ihnen und mir gestellt werden, die sich über diese neue aufkommende Technologie wundern und mehr darüber erfahren möchten.

Der Ansatz beim Schreiben dieses Buches besteht darin, ein tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie Menschen in Superkondensator suchen, Fragen und Fragen aufzudecken, die ich nicht unbedingt aus dem Kopf heraus denken würde, und diese Fragen in super einfachen und verdaulichen Worten zu beantworten und das Buch auf einfache Weise zu navigieren.

Wenn es darum geht, dieses Buch zu schreiben, habe ich darauf geachtet, dass es so optimiert und zielgerichtet wie möglich ist. Dieser Buchzweck ist es, den Menschen zu helfen, ihr Wissen über Superkondensator weiter zu verstehen und zu erweitern. Ich versuche, die Fragen der Menschen so genau wie möglich zu beantworten und viel mehr zu zeigen.

Es ist eine fantastische und schöne Möglichkeit, Fragen und Probleme der Menschen zu erforschen und sie direkt zu beantworten und dem Inhalt des Buches Einsicht, Bestätigung und Kreativität hinzuzufügen - sogar Pitches und Vorschläge. Das Buch deckt reiche, weniger überfüllte und manchmal überraschende Forschungsbereiche auf, die ich sonst nicht erreichen würde. Es besteht kein Zweifel, dass erwartet wird, dass es das Wissen der potenziellen Leser erweitert, nachdem das Buch mit diesem Ansatz gelesen wurde.

Ich habe einen einzigartigen Ansatz angewendet, um den Inhalt dieses Buches immer frisch zu machen. Dieser Ansatz hängt davon ab, den Köpfen der Menschen zuzuhören, indem die Suchwerkzeuge verwendet werden. Dieser Ansatz hat mir geholfen:

Treffen Sie die Leser genau dort, wo sie sind, damit ich relevante Inhalte erstellen kann, die einen Nerv treffen und mehr Verständnis für das Thema schaffen.

Bleiben Sie am Puls der Zeit, damit ich Updates erhalten kann, wenn die Leute auf neue Weise über diese aufkommende Technologie sprechen, und Trends im Laufe der Zeit überwachen kann.

Entdecken Sie verborgene Schätze von Fragen, die Antworten auf die aufkommende Technologie benötigen, um unerwartete Einblicke und versteckte Nischen zu entdecken, die die Relevanz des Inhalts erhöhen und ihm einen entscheidenden Vorteil verschaffen.

Der Baustein für das Schreiben dieses Buches umfasst Folgendes:

(1) Ich habe aufgehört, die Zeit mit Bauchgefühl und Vermutungen über die von den Lesern gewünschten Inhalte zu verschwenden, den Buchinhalt mit dem gefüllt, was die Leute brauchen, und mich von den endlosen Inhaltsideen verabschiedet, die auf Spekulationen basieren.

(2) Ich habe solide Entscheidungen getroffen und bin weniger Risiken eingegangen, um in der ersten Reihe zu sehen, was die Leute lesen und wissen wollen - in Echtzeit - und Suchdaten zu verwenden, um mutige Entscheidungen darüber zu treffen, welche Themen aufgenommen und welche ausgeschlossen werden sollen.

(3) Ich habe meine Content-Produktion optimiert, um Content-Ideen zu identifizieren, ohne einzelne Meinungen manuell durchsuchen zu müssen, um Tage und sogar Wochen Zeit zu sparen.

Es ist wunderbar, den Menschen zu helfen, ihr Wissen auf einfache Weise zu erweitern, indem sie nur ihre Fragen beantworten.

Ich denke, der Ansatz, dieses Buch zu schreiben, ist einzigartig, da es die wichtigen Fragen sammelt und verfolgt, die von den Lesern in Suchmaschinen gestellt werden.

Bestätigungen

Ein Buch zu schreiben ist schwieriger als ich dachte und lohnender, als ich es mir jemals hätte vorstellen können. Nichts davon wäre ohne die Arbeit renommierter Forscher möglich gewesen, und ich möchte ihre Bemühungen würdigen, das Wissen der Öffentlichkeit über diese neue Technologie zu verbessern.

Widmung

Für die Erleuchteten, diejenigen, die die Dinge anders sehen und wollen, dass die Welt besser wird - sie mögen den Status quo oder den bestehenden Staat nicht. Du kannst ihnen zu sehr widersprechen, und du kannst noch mehr mit ihnen streiten, aber du kannst sie nicht ignorieren, und du darfst sie nicht unterschätzen, weil sie immer Dinge verändern ... Sie treiben die menschliche Rasse voran, und während einige sie als die Verrückten oder Amateure betrachten, sehen andere Genie und Innovatoren, weil diejenigen, die erleuchtet genug sind, um zu denken, dass sie die Welt verändern können, diejenigen sind, die es tun und die Menschen zur Aufklärung führen.

Epigraph

Ein Superkondensator (SC), auch bekannt als Ultrakondensator, ist ein Hochleistungskondensator, der die Lücke zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien schließt. Er hat einen Kapazitätswert, der deutlich höher ist als der anderer Kondensatoren, hat aber niedrigere Spannungsgrenzen als andere Kondensatoren. Es ist in der Lage,  Ladung wesentlich schneller zu absorbieren und zu geben als Batterien, und es kann viel mehr Lade- und Entladezyklen als wiederaufladbare Batterien aushalten. Im Allgemeinen speichert es 10 bis 100 Mal mehr Energie pro Volumen- oder Masseneinheit als Elektrolytkondensatoren.

Inhaltsverzeichnis

Urheberrecht

Bonus

Vorwort

Einleitung

Bestätigungen

Widmung

Epigraph

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1: Superkondensator

Kapitel 2: Lithium-Ionen-Akku

Kapitel 3: Wiederaufladbare Batterie

Kapitel 4: Zink-Luft-Batterie

Kapitel 5: Vanadium-Redoxbatterie

Kapitel 6: Kondensatortypen

Kapitel 7: Kondensator

Kapitel 8: Nanobatterien

Kapitel 9: Lithiumeisenphosphat

Kapitel 10: Papierbatterie

Kapitel 11: Doppelschicht (Oberflächenwissenschaften)

Kapitel 12: Lithium-Ionen-Kondensator

Kapitel 13: Nanoarchitekturen für Lithium-Ionen-Batterien

Kapitel 14: Lithium-Luft-Batterie

Kapitel 15: Hartmetall-abgeleiteter Kohlenstoff

Kapitel 16: Pseudokondensator

Kapitel 17: Zink-Cer-Batterie

Kapitel 18: Aluminium-Ionen-Batterie

Kapitel 19: Pseudokapazität

Kapitel 20: Doppelschichtkapazität

Kapitel 21: Forschung an Lithium-Ionen-Batterien

Epilog

Über den Autor

Demnächst

Anhänge: Neue Technologien in jeder Branche

Kapitel 1: Superkondensator

Ein Superkondensator (SC), auch bekannt als Ultrakondensator, ist ein Hochleistungskondensator, der die Lücke zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien schließt. Er hat einen Kapazitätswert, der deutlich höher ist als der anderer Kondensatoren, hat aber niedrigere Spannungsgrenzen als andere Kondensatoren. Es ist in der Lage, Ladung wesentlich schneller zu absorbieren und zu geben als Batterien, und es kann viel mehr Lade- und Entladezyklen als wiederaufladbare Batterien aushalten. Im Allgemeinen speichert es 10 bis 100 Mal mehr Energie pro Volumen- oder Masseneinheit als Elektrolytkondensatoren.

Anwendungen, die viele schnelle Lade-/Entladezyklen anstelle von langfristig kompakten Energiespeichern erfordern, verwenden Superkondensatoren. Zu diesen Anwendungen gehören Automobile, Busse, Züge, Kräne und Aufzüge, wo sie für regeneratives Bremsen, kurzfristige Energiespeicherung oder Burst-Mode-Stromversorgung verwendet werden. Superkondensatoren werden auch in Anwendungen eingesetzt, die viele schnelle Lade-/Entladezyklen erfordern. Die Notstromversorgung für statischen Arbeitsspeicher besteht aus kompakteren Komponenten (SRAM).

Sowohl die elektrostatische Doppelschichtkapazität als auch die elektrochemische Pseudokapazität, die beide zur Gesamtkapazität des Kondensators beitragen, mit einigen Unterschieden zwischen den beiden, werden in Superkondensatoren im Gegensatz zu gewöhnlichen Kondensatoren verwendet, die das herkömmliche Festkörperdielektrikum verwenden. Stattdessen verwenden Superkondensatoren elektrostatische Doppelschichtkapazität und elektrochemische Pseudokapazität:

Die elektrostatische Doppelschichtkapazität von elektrostatischen Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) ist viel größer als die elektrochemische Pseudokapazität elektrochemischer Elektroden. EDLCs verwenden Kohlenstoffelektroden oder -derivate, die Erreichung der Ladungstrennung innerhalb einer Helmholtz-Doppelschicht am Kontakt zwischen der Oberfläche einer leitenden Elektrode und einem Elektrolyten.

Die Trennung der Ladung liegt in der Größenordnung von wenigen ångströms (0,3–0,8 nm), viel weniger signifikant als bei einem typischen Kondensator.

Elektrochemische Pseudokondensatoren verwenden Metalloxid- oder leitende Polymerelektroden mit einer großen elektrochemischen Pseudokapazität zusätzlich zur Doppelschichtkapazität. Diese Elektroden werden in elektrochemischen Pseudokondensatoren verwendet. Pseudokapazität kann durch Redoxprozesse, Interkalation oder Elektrosorption sowie durch den Faradaic-Elektronenladungsübertragungsprozess erzeugt werden.

Elektroden, die in Hybridkondensatoren verwendet werden, wie der Lithium-Ionen-Kondensator, haben unterschiedliche Eigenschaften, wobei eine hauptsächlich elektrostatische Kapazität und die andere hauptsächlich elektrochemische Kapazität aufweist. Hybridkondensatoren werden in Geräten wie dem Lithium-Ionen-Kondensator verwendet.

Die Bildung einer ionenleitenden Verbindung zwischen den beiden Elektroden durch den Elektrolyten unterscheidet diese Kondensatoren von herkömmlichen Elektrolytkondensatoren, die immer eine dielektrische Schicht zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten aufweisen, und die als Elektrolyt bekannte Substanz, z. B. MnO2 oder leitendes Polymer, ist in Wirklichkeit ein Bestandteil der zweiten Elektrode, die als Kathode bezeichnet wird.  oder, um es genauer zu sagen, die positive Elektrode).

Die Verwendung von asymmetrischen Elektroden in Superkondensatoren führt dazu, dass die Geräte eine polarisierte Ladung aufweisen, oder bei symmetrischen Elektroden durch Anlegen einer Spannung während der Produktion.

Die Entwicklung der Doppelschicht- und Pseudokapazitätsmodelle finden Sie (weitere Informationen zum Doppelschichtmodell (Interfacialmodell) finden Sie hier).

Ab den frühen 1950er Jahren experimentierten Ingenieure von General Electric mit porösen Kohlenstoffelektroden beim Design von Kondensatoren. Dies war eine natürliche Weiterentwicklung ihrer früheren Arbeiten zu Brennstoffzellen und wiederaufladbaren Batterien. Aktivkohle ist nicht nur ein elektrischer Leiter, sondern auch eine besonders poröse und schwammige Art von Kohlenstoff, die eine beträchtliche Oberfläche hat. Der Niederspannungs-Elektrolytkondensator mit porösen Kohlenstoffelektroden wurde 1957 von H. Becker erfunden. Er hatte den Eindruck, dass die Energie als Ladung in den Poren des Kohlenstoffs gehalten wurde, ähnlich wie Elektrolytkondensatoren ihre Ladung in den Poren der geätzten Folien halten. Es wird nicht genau verstanden, was in dem Bauteil vor sich geht, wenn es zur Energiespeicherung genutzt wird, aber es führt zu einer unglaublich großen Kapazität. Er gab dies damals im Patent an, da er nichts über den Doppelschichtmechanismus wusste.

Anfangs folgte General Electric dieser Linie nicht. Während der Arbeit an experimentellen Brennstoffzellendesigns im Jahr 1966 produzierten Forscher von Standard Oil of Ohio (SOHIO) eine andere Version der Komponente, die als elektrisches Energiespeichersystem bekannt ist.

In frühen elektrochemischen Kondensatoren bestanden die Elektroden aus zwei mit Aktivkohle beschichteten Aluminiumfolienplatten. Diese Elektroden wurden in einen Elektrolyten getaucht und durch eine dünne Schicht poröser Isolierung voneinander getrennt. Das Ergebnis dieses Designs war ein Kondensator mit einer Kapazität in der Größenordnung von einem Farad, was viel größer ist als Elektrolytkondensatoren gleicher Größe. Dieses grundlegende mechanische Design dient weiterhin als Grundlage für die meisten elektrochemischen Kondensatoren.

SOHIO entschied sich, ihre Entdeckung nicht zu kommerzialisieren, sondern lizenzierte sie an NEC, die die Ergebnisse schließlich 1978 als Superkondensatoren kommerzialisierten. Diese wurden entwickelt, um Backup-Strom für Computerspeicher zu liefern. SOHIO hat ihre Idee nicht kommerzialisiert. Sein Superkondensator speicherte elektrische Ladung teilweise in der Helmholtz-Doppelschicht und teilweise als Ergebnis faradaischer Reaktionen mit Pseudokapazität, Ladungstransfer von Elektronen und Protonen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Beide Mechanismen trugen zur Gesamtspeicherung elektrischer Ladung bei. Redoxprozesse, Interkalation und Elektrosorption sind die drei Mechanismen, die die Funktionsweise von Pseudokondensatoren (Adsorption auf einer Oberfläche) ausmachen. Conways Arbeit trug wesentlich zu einer Erweiterung des Wissens über elektrochemische Kondensatoren bei.

Der Markt wuchs allmählich. Um 1978 begann Panasonic mit der Vermarktung seiner Marke Goldcaps, was zu einer Verschiebung führte. Der Entladestrom der ersten Generation von EDLCs wurde durch den vergleichsweise hohen Innenwiderstand der Zellen begrenzt. Anwendungen, die einen niedrigen Strom erforderten, wie die Stromversorgung von SRAM-Chips oder die Sicherung von Daten, nutzten sie.

Die Kapazitätswerte stiegen Ende der 1980er Jahre dank der Fortschritte bei Elektrodenmaterialien. Gleichzeitig erhöhte die Entwicklung von Elektrolyten mit verbesserter Leitfähigkeit die Lade-/Entladeströme. Dies war möglich, weil der äquivalente Serienwiderstand (ESR) verringert wurde. 1982 produzierte das Pinnacle Research Institute (PRI) den ersten Superkondensator mit niedrigem Innenwiderstand, um ihn in militärischen Anwendungen einzusetzen. Diese Superkondensatoren wurden unter dem Markennamen PRI Ultracapacitor verkauft. Diese Arbeit wurde 1992 von Maxwell Laboratories aufgenommen, die schließlich zu Maxwell Technologies wurden. PRI war die Quelle, aus der Maxwell den Begriff Ultrakondensator erhielt; Maxwell benannte diese Geräte in Boost Caps um, um ihre Verwendung in Stromversorgungsanwendungen hervorzuheben.

Die Forscher suchten nach einer Möglichkeit, die Durchschlagsspannung des Elektrolyten zu erhöhen, da die Energiemenge, die in Kondensatoren gespeichert werden kann, proportional zum Quadrat der Spannung wächst. David A. Evans erfand 1994 den Electrolytic-Hybrid Electrochemical Capacitor unter Verwendung der Anode eines Hochspannungs-Tantal-Elektrolytkondensators. Dieser Kondensator hatte eine Kapazität von 200 Volt. Aufgrund der exorbitanten Produktionskosten konnten sie nur für eingeschränkte militärische Zwecke eingesetzt werden.

Ein neuerer technologischer Fortschritt ist die Verwendung von Lithium-Ionen-Kondensatoren. Im Jahr 2007 war Fujitsus FDK ein Pionier bei der Entwicklung dieser Hybridkondensatoren. Sie mischen eine vordotierte elektrochemische Lithium-Ionen-Elektrode mit einer elektrostatischen Kohlenstoffelektrode, um die Batterie herzustellen. Durch diese Kombination erhöht sich der Kapazitätswert. Darüber hinaus bringt das Vordotierungsverfahren ein niedrigeres Anodenpotential und eine hohe Zellausgangsspannung, die zusammen zu einer noch größeren Erhöhung der spezifischen Energie beitragen.

Forschungsabteilungen an vielen verschiedenen Organisationen und Hochschulen versuchen aktiv, Qualitäten wie Zyklenstabilität, spezifische Energie und spezifische Leistung zu verbessern und die Herstellungskosten zu senken.

Elektrochemische Kondensatoren, auch Superkondensatoren genannt, bestehen aus zwei Elektroden, die physikalisch durch einen Separator aus einer ionendurchlässigen Membran und einem Elektrolyten, der beide Elektroden ionisch verbindet, getrennt sind. Eine angelegte Spannung polarisiert die Elektroden, und dies führt dazu, dass die Ionen im Elektrolyten elektrische Doppelschichten mit Polaritäten bilden, die denen der Elektroden entgegengesetzt sind. Zum Beispiel haben positiv polarisierte Elektroden eine Schicht negativer Ionen an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche sowie eine ladungsausgleichende Schicht positiver Ionen, die an die negative Schicht adsorbieren. Dies liegt daran, dass positiv polarisierte Elektroden eine positive Nettoladung haben. Auf der anderen Seite zeigt die negativ polarisierte Elektrode das gegenteilige Verhalten.

Darüber hinaus können das Elektrodenmaterial und die Oberflächenform beeinflussen, ob einige Ionen die Doppelschicht passieren, sich in präzise adsorbierte Ionen umwandeln und die Gesamtkapazität des Superkondensators über den als Pseudokapazität bekannten Prozess erhöhen können.

Die beiden Elektroden bilden eine Reihenschaltung aus zwei Einzelkondensatoren C1 und C2.

Die Gesamtkapazität Cinsgesamt ergibt sich aus der Formel

C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}

Elektroden in Superkondensatoren können entweder symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein.

Wenn die Elektroden symmetrisch sind, sollten sie beide den gleichen Kapazitätswert haben, was eine Gesamtkapazität von der Hälfte des Wertes jeder einzelnen Elektrode ergibt (wenn C 1 = C 2, dann C total = 1 /2  C1).

Wenn es um asymmetrische Kondensatoren geht, kann die Gesamtkapazität als die der Elektrode mit der kleineren Kapazität genommen werden (wenn C 1 >> C 2, dann C total ≈  C2).

Der Zweischichteffekt wird von elektrochemischen Kondensatoren genutzt, um elektrische Energie zu speichern; Diese Doppelschicht hat jedoch kein herkömmliches festes Dielektrikum, um die Ladungen effektiv zu trennen. Ein elektrochemischer Kondensator hat zwei verschiedene Speicherprinzipien in der elektrischen Doppelschicht der Elektroden, und jedes dieser Speicherprinzipien trägt zur Gesamtkapazität des Kondensators bei:

Die Doppelschichtkapazität bezieht sich auf die elektrostatische Speicherung der elektrischen Energie, die durch Erreichen einer Ladungstrennung in einer Helmholtz-Doppelschicht erreicht werden kann.

Pseudokapazität ist die elektrochemische Speicherung der elektrischen Energie, die durch faradaische Redoxreaktionen mit Ladungstransfer erreicht wird.

Messmethoden sind die einzige Möglichkeit, zwischen den beiden Kapazitäten zu unterscheiden. Obwohl die Kapazität jedes Speicherprinzips stark variieren kann, ist die Ladungsmenge, die in einem elektrochemischen Kondensator gespeichert werden kann, in erster Linie proportional zur Elektrodengröße. Dies trotz der Tatsache, dass der elektrochemische Kondensator eine erhebliche Menge an Ladung pro Spannungseinheit speichern kann.

Jeder elektrochemische Kondensator enthält zwei Elektroden, die über den Elektrolyten ionisch miteinander gekoppelt sind. Diese Elektroden sind durch einen Separator mechanisch voneinander getrennt. Der Elektrolyt ist eine Kombination aus positiv geladenen und negativ geladenen Ionen, die in einer Flüssigkeit wie Wasser gelöst wurden. Jede der beiden Elektrodenflächen hat einen Bereich, der als Ausgangspunkt für einen Bereich dient, in dem der flüssige Elektrolyt Kontakt mit der leitenden metallischen Oberfläche der Elektrode aufnimmt. Diese Grenzfläche bildet eine gemeinsame Grenze zwischen zwei verschiedenen Phasen der Materie, wie einer unlöslichen festen Elektrodenoberfläche und einem benachbarten flüssigen Elektrolyten. Eine dieser Phasen ist die Elektrodenoberfläche, während die andere der Elektrolyt ist. Ein höchst einzigartiges Phänomen, das als Zwei-Schichten-Effekt bekannt ist, findet genau hier an dieser Schnittstelle statt.

Wenn eine Spannung an einen elektrochemischen Kondensator angelegt wird, führt dies dazu, dass beide Elektroden des Kondensators elektrische Doppelschichten bilden. Diese Doppelschichten bestehen aus zwei verschiedenen Ladungsschichten: Eine elektronische Schicht befindet sich in der Oberflächengitterstruktur der Elektrode, und die andere, die die entgegengesetzte Polarität hat, tritt aus den gelösten und solvatisierten Ionen im Elektrolyten hervor. Beide Schichten haben entgegengesetzte Polaritäten. Eine Monoschicht von Lösungsmittelmolekülen oder Wassermolekülen im Falle von Wasser als Lösungsmittel wirkt als Trennlinie zwischen den beiden Ebenen; diese Monoschicht wird als innere Helmholtz-Ebene (IHP) bezeichnet. Lösungsmittelmoleküle haften an der Oberfläche der Elektrode über einen Prozess, der als physikalische Adsorption bekannt ist. Dabei trennen sie die entgegengesetzt polarisierten Ionen voneinander und können als eine Art molekulares Dielektrikum konzipiert werden. Da während des gesamten Prozesses kein Ladungsaustausch zwischen Elektrode und Elektrolyt stattfindet, wird die Adhäsion nicht durch chemische Bindungen, sondern durch physikalische Kräfte wie elektrostatische Kräfte verursacht. Die adsorbierten Moleküle sind polarisiert, aber da es keinen Ladungstransfer zwischen Elektrolyt und Elektrode gibt, haben sie keine chemischen Veränderungen erfahren.

Die in der Elektrode vorhandene Ladungsmenge entspricht dem Niveau der Gegenladungen, die in der äußeren Helmholtz-Ebene (OHP) vorhanden sind. Dieses Doppelschichtphänomen erfüllt die gleiche Funktion wie ein typischer Kondensator, indem es elektrische Ladungen speichert. Die Ladung auf der Doppelschicht erzeugt ein statisches elektrisches Feld in der Molekülschicht der Lösungsmittelmoleküle im IHP. Die Größe dieses Feldes ist proportional zur Intensität der angelegten Spannung.

Obwohl sie nur die Dicke eines einzelnen Moleküls hat, erfüllt die Doppelschicht eine Funktion, die der der dielektrischen Schicht in einem herkömmlichen Kondensator ähnelt. Daher kann die Formel, die zur Berechnung der Kapazität herkömmlicher Plattenkondensatoren verwendet wird, auch für diese Kondensatoren verwendet werden:

C=\varepsilon {\frac {A}{d}} .

Dementsprechend ist die Kapazität C bei Kondensatoren aus Materialien mit hoher Permittivität ε, hohen Oberflächen der Elektrodenplatten A und einem geringen Abstand zwischen den Platten d am größten.

Infolgedessen sind die Kapazitätswerte von Doppelschichtkondensatoren viel größer als die von normalen Kondensatoren, was sich aus der extrem großen Oberfläche von Aktivkohleelektroden und dem extrem dünnen Doppelschichtabstand in der Größenordnung von wenigen ångströms (0,3-0,8 nm) entsprechend der Länge der Debye-Skala ergibt.

als Folge der Kapazität der ionischen Raumladung.

Daher besteht die Möglichkeit, dass ein Anstieg der Quantenkapazität von Kohlenstoffelektroden-Nanostrukturen mit einer späteren Erhöhung der Kapazitätsdichte von SCs gekoppelt sein könnte.

Die Elektrodengröße ist der primäre Faktor, der die Ladungsmenge bestimmt, die in einem elektrochemischen Kondensator für jede Spannungseinheit gespeichert werden kann. Die elektrostatische Speicherung von Energie in Doppelschichten ist linear hinsichtlich der gespeicherten Ladung und entspricht der Konzentration der adsorbierten Ionen. Dies liegt daran, dass die gespeicherte Ladung proportional zu der Menge an Energie ist, die gespeichert wird. Darüber hinaus wird die Ladung in herkömmlichen Kondensatoren durch Elektronen übertragen, während bei Doppelschichtkondensatoren die Kapazität mit der begrenzten Bewegungsgeschwindigkeit von Ionen im Elektrolyten und der resistiven porösen Struktur der Elektroden zusammenhängt. Dies steht im Gegensatz zu der Art und Weise, wie Ladung in herkömmlichen Kondensatoren übertragen wird. Da in der Elektrode oder im Elektrolyten keine chemischen Reaktionen stattfinden, ist die Fähigkeit elektrischer Doppelschichten, geladen und entladen zu werden, theoretisch unbegrenzt. Das einzige, was die Lebensdauer echter Superkondensatoren verkürzen kann, ist der Einfluss der Elektrolytverdampfung.

Wenn eine Spannung an die Anschlüsse eines elektrochemischen Kondensators angelegt wird, werden Elektrolytionen zur gegenüberliegenden polarisierten Elektrode bewegt. Diese Aktion erzeugt eine Doppelschicht, wobei eine einzelne Schicht von Lösungsmittelmolekülen als Trenner zwischen den beiden Schichten dient. Pseudokapazität kann entstehen, wenn einige adsorbierte Ionen aus dem Elektrolyten ihren Weg durch die Doppelschicht finden. Diese Pseudokapazität speichert elektrische Energie mittels reversibler faradaischer Redoxreaktionen auf der Oberfläche geeigneter Elektroden in einem elektrochemischen Kondensator, der eine elektrische Doppelschicht aufweist.) aufgrund der Tatsache, dass nur eine Ladungsübertragung stattfindet.

Die Valenzelektronenzustände, auch Orbitale genannt, des Redoxelektrodenreagenzes sind der Ort, an dem die Elektronen, die an den faradaischen Prozessen beteiligt sind, zu oder von oder aus transportiert werden. Sie treten in die negative Elektrode ein und fließen dann über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode, wo sie eine zweite Doppelschicht finden, die sich mit einer gleichen Menge an Anionen entwickelt hat. Anstatt auf die Anionen übertragen zu werden, die die Doppelschicht bilden, bleiben die Elektronen, die es zur positiven Elektrode schaffen, in den intensiv ionisierten und elektronenhungrigen Übergangsmetallionen, die sich auf der Oberfläche der Elektrode befinden. Infolgedessen ist die Speicherkapazität der faradaischen Pseudokapazität aufgrund der unzureichenden Menge an Reagenz auf der zugänglichen Oberfläche eingeschränkt.

Da alle Pseudokapazitätsreaktionen nur mit desolvatisierten Ionen stattfinden, die viel kleiner sind als solvatisierte Ionen mit ihren solvierenden Hüllen, kann eine faradaische Pseudokapazität nur in Verbindung mit einer statischen Doppelschichtkapazität auftreten. Seine Größe kann den Wert der Doppelschichtkapazität für die gleiche Oberfläche um den Faktor 100 überschreiten, abhängig von der Art und Struktur der Elektrode. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine Farada Innerhalb einiger begrenzter Grenzen folgt die Menge der Pseudokapazität einer linearen Funktion. Diese Grenzen werden durch den potentialabhängigen Grad der Oberflächenbedeckung bestimmt, der von den adsorbierten Anionen erreicht wird.

Die Fähigkeit von Elektroden, Pseudokapazitätseffekte durch Redoxreaktionen, Interkalation oder Elektrosorption zu erzielen, hängt stark von der chemischen Affinität der Elektrodenmaterialien zu den an der Elektrodenoberfläche adsorbierten Ionen sowie von der Form und