Electrochemical double layer capacitors (EDLC), most commonly referred to as “supercapacitors”, have gained increasing scientific and commercial interest in recent years. Purely electrostatic charge storage processes allow charge- and discharge cycles in the second-time scale, exhibiting a theoretical capacitance in the order of 100 F per gram of electrode material, thereby providing efficient recuperation devices for electromechanical processes, for example. Introducing electrochemically active materials such as manganese oxides into the supercapacitor electrode, allows to combine the double-layer storage with a battery-like storage process, leading to capacitance that can be up to two orders of magnitude larger than those in EDLC. In the present work, an electroless deposition approach of manganese oxide on a carbon scaffold is adapted and further investigated. The carbon material is derived from an organic xerogel, which in turn is prepared via a sol-gel process, allowing tailoring of the structural properties of the carbon, making it an ideal model system to study the relation between morphology and electrochemical performance in the carbon-manganese oxide hybrid electrode. In the first part of this thesis, a variation of manganese oxide deposition time at a low concentration of precursor solution is analyzed. Mass uptakes reach up to 58 wt.%, leading to an increase of volumetric capacitance by a factor 5, however reducing the dynamic performance of the electrode. The structural characterization gives hints on the deposition location of the active material either in the intra-particular pores of the carbon backbone or on the enveloping surface area of the particles forming the backbone. In order to comprehensively answer the question of the location of the active material within the hybrid electrode, the particle size of the carbon backbone and therefore the enveloping surface area of the carbon particles was varied. For samples with high mass uptakes, scanning electron microscopy (SEM) images show a layer thickness of 27 nm of active material around the carbon particles. In order to quantitatively investigate this layer morphology, even for low mass uptakes where no layer is visible in SEM images, a model interpreting data from anomalous small angle X-ray scattering (ASAXS) measurements was developed. The results confirm the presence of a layer around the carbon particles, exhibiting a layer thickness ranging from 3 to 26 nm. From an electrochemical point of view, carbon backbones with a large enveloping surface area will lead to high mass uptakes in the electroless deposition process and therefore lead to high capacitance of the electrode. However, for future application, electrodeposition approaches should be investigated in detail, since no deposits will form on the interface between carbon backbone and current collector, leading to a better dynamic performance of the hybrid electrode. Furthermore, the ASAXS-method should be promoted and applied on other material systems, since this technique allows to draw important conclusions and allows to deduce integral and quantitative information towards a rational design of high performance electrodes. / In den letzten Jahren haben elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, meist als “Supercaps” bezeichnet, wachsendes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse erfahren. Rein elektrostatische Ladungsspeicherungsprozesse erlauben Lade- und Entladezyklen im Sekundenregime, bei einer theoretischen Kapazität in der Größenordnung von 100 Farad pro Gramm Elektrodenmaterial. Damit steht beispielsweise ein ideales Bauteil zur Energierekuperation in elektromechanischen Prozessen zur Verfügung. Die Verbindung der Doppelschichtelektrode mit elektrochemisch aktiven Materialien, wie zum Beispiel Manganoxiden, erlaubt eine Kombination der elektrostatischen Ladungsspeicherung mit batterieähnlichen Ladungsspeicherungsprozessen. Dies führt zu Kapazitätswerten, die bis zu zwei Größenordnungen über den Kapazitätswerten im Doppelschichtkondensator liegen können. In der vorliegenden Arbeit wurde ein nasschemischer Abscheidungsprozess für die Deposition von Manganoxid auf einem Kohlenstoffgerüst angewendet und weitergehend untersucht. Das Kohlenstoffmaterial wurde aus einem organischem Xerogel hergestellt, welches wiederum durch einen Sol-Gel Prozess dargestellt wurde. Diese Vorgehensweise erlaubt eine gezielte Beeinflussung der strukturellen Eigenschaften des Kohlenstoffes. Dadurch wird das Material zum idealen Modellsystem, um den Einfluss der Morphologie auf die elektrochemischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Manganoxid Hybridelektrode zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abscheidungsdauer des Manganoxids bei einer niedrigen Ausgangskonzentration in der Vorstufe systematisch variiert und die resultierenden Elektroden analysiert. Die MnO2 Massenaufnahme erreichte bis zu 58 wt.%, was zu einer Steigerung der volumetrischen Kapazität um einen Faktor 5 führte. Der Preis für diese Steigerung liegt jedoch in einer Reduktion der Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit. Die strukturelle Charakterisierung der Hybridelektroden deutet auf eine Abscheidung des MnO2 in den intrapartikulären Poren der Kohlenstoffpartikel oder auf deren einhüllenden Oberfläche hin. Um den Abscheidungsort des aktiven Materials innerhalb der Hybridelektrode eindeutig zu bestimmen, wurde die Größe der Kohlenstoffpartikel und damit die externe Oberfläche des Kohlenstoffgerüstes systematisch variiert. Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigen eine Schicht von MnO2 um die Kohlenstoffpartikel mit einer Dicke von bis zu 27 nm für Proben mit Massenzuwächsen von bis zu 130 %. Um die Schichtdicke auch für geringe Massenaufnahmen, bei denen im REM keine Schicht erkennbar ist, quantitativ untersuchen zu können, wurde ein Modell zur Analyse von anomaler Röntgenkleinwinkelstreuung (ASAXS) entwickelt. Die Ergebnisse bestätigen die Existenz einer Schicht um die Kohlenstoffpartikel, deren Dicke zwischen 3 und 26 nm liegt. Aus elektrochemischer Sicht wird ein Kohlenstoffgerüst mit großer einhüllender Oberfläche zu einer großen Massenaufnahme im nasschemischen Abscheidungsprozess und damit zu hohen Kapazitätswerten führen. Für eine zukünftige Anwendung sollten jedoch auch elektrochemische Abscheidungsprozesse genau untersucht werden, da bei dieser Methode kein Material auf der Kontaktfläche zwischen Stromabnehmer und Elektrode abgeschieden wird. Dadurch ist eine Verbesserung der elektrochemischen Performance der Hybridelektrode zu erwarten. Weiterhin sollte die ASAXS-Methode weiterentwickelt und auf andere Materialsysteme angewendet werden, da diese Technik wichtige Schlüsse erlaubt, sowie die Bestimmung integraler und quantitativer Information, die zu gezieltem Design von hocheffizienten Elektroden führen wird.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Der Vortrag stellt den Aufbau und die Herstellweise gedruckter Batterien dar. Mögliche Einsatzgebiete werden diskutiert. Ferner wird die Untersuchungs- und Anwendungsvielfalt der Abteilung hinsichtlich digitaler Drucktechnologien gezeigt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 2001--Stuttgart.

Li-O2 batteries have attracted world-wide research interest as an appealing candidate for future energy supplies because they possess the highest energy density of any battery technology. However, such system still face some challenges for the practical application. One of the key issues is exploring highly efficient cathode materials for Li-O2 batteries. Here, a rolled-up technology associated with other physical or chemical methods are applied to prepare architectural nanomembranes for the cathode materials in Li-O2 batteries. The strain-release technology has recently proven to be an efficient approach on the micro/nanoscale to fabricate composite nanomembranes with controlled thickness, versatile chemical composition and stacking sequence. This dissertation first focuses on the synthesis of trilayered Pd/MnOx/Pd nanomembranes. The incorporation of active Pd layers on both sides of the poor conductive MnOx layer commonly used in energy storage systems greatly enhances the conductivity and catalytic activity. Encouraged by this design, Pd nanoparticles functionalized MnOx-GeOy nanomembranes are also fabricated, which not only improve the conductivity but also facilitate the transport of Li+ and oxygen-containing species, thus greatly enhancing the performance of Li-O2 batteries. Similarly, Au and Pd arrays decorated MnOx nanomembranes act as bifunctional catalysts for both oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction in Li-O2 batteries. Moreover, by introducing hierarchical pores on the nanomembranes, the performance of Li-O2 batteries is further promoted by porous Pd/NiO nanomembranes. The macropores created by standard photolithography facilitate the rolling process and the nanopores in the nanomembranes induced by a novel template-free method supply fast channels for the reactants diffusion. In addition, a facile thermal treatment method is developed to fabricate Ag/NiO-Fe2O3/Ag hybrid nanomembranes as carbon-free cathode materials in Li-O2 batteries. A competing scheme between the intrinsic strain built in the oxide nanomembranes and an external driving force provided by the metal nanoparticles is introduced to tune the morphology of the 3D tubular architectures which greatly improve the performance by providing continuous tunnels for O2 and electrolyte diffusion and mitigating the side reactions produced by carbonaceous materials.

Li-O2 batteries have attracted world-wide research interest as an appealing candidate for future energy supplies because they possess the highest energy density of any battery technology. However, such system still face some challenges for the practical application. One of the key issues is exploring highly efficient cathode materials for Li-O2 batteries. Here, a rolled-up technology associated with other physical or chemical methods are applied to prepare architectural nanomembranes for the cathode materials in Li-O2 batteries. The strain-release technology has recently proven to be an efficient approach on the micro/nanoscale to fabricate composite nanomembranes with controlled thickness, versatile chemical composition and stacking sequence. This dissertation first focuses on the synthesis of trilayered Pd/MnOx/Pd nanomembranes. The incorporation of active Pd layers on both sides of the poor conductive MnOx layer commonly used in energy storage systems greatly enhances the conductivity and catalytic activity. Encouraged by this design, Pd nanoparticles functionalized MnOx-GeOy nanomembranes are also fabricated, which not only improve the conductivity but also facilitate the transport of Li+ and oxygen-containing species, thus greatly enhancing the performance of Li-O2 batteries. Similarly, Au and Pd arrays decorated MnOx nanomembranes act as bifunctional catalysts for both oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction in Li-O2 batteries. Moreover, by introducing hierarchical pores on the nanomembranes, the performance of Li-O2 batteries is further promoted by porous Pd/NiO nanomembranes. The macropores created by standard photolithography facilitate the rolling process and the nanopores in the nanomembranes induced by a novel template-free method supply fast channels for the reactants diffusion. In addition, a facile thermal treatment method is developed to fabricate Ag/NiO-Fe2O3/Ag hybrid nanomembranes as carbon-free cathode materials in Li-O2 batteries. A competing scheme between the intrinsic strain built in the oxide nanomembranes and an external driving force provided by the metal nanoparticles is introduced to tune the morphology of the 3D tubular architectures which greatly improve the performance by providing continuous tunnels for O2 and electrolyte diffusion and mitigating the side reactions produced by carbonaceous materials.

Die Durchdringung der Niederspannungsnetze mit dezentralen fluktuierenden Einspeisern, insbesondere Photovoltaik-Anlagen, steigt zukünftig stark an. Dadurch werden die öffentlichen Energieversorgungsnetze mit Leistungsfluktuationen beaufschlagt. Zur Lösung der daraus resultierenden ingenieurtechnischen Probleme, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode zur Dimensionierung von Speichersystemen für elektrische Energie geschaffen.

In diesem Planungsleitfaden wird ein typischer Planungsablauf zur Auslegung von solchen Be- und Entladesystemen beschrieben. Er gibt wichtige Hinweise und Richtlinien für die Planung, Entwicklung und Auslegung von Be- und Entladesystemen. Andere Vorgehensweisen und Varianten werden damit aber nicht ausgeschlossen. Die Ausführungen beruhen im Wesentlichen auf dem Abschlussbericht zum Forschungsprojekt „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher“ [1] innerhalb des Förderkonzeptes „Solarthermie 2000plus“ und stellen eine Zusammenstellung der für die Planung solcher Systeme relevanten Ergebnisse dar.