Pulsed field gradient (PFG) 1H NMR was used to characterize the mobility of ionic liquid cations in porous gas diffusion electrode (GDE) frameworks for metal–air electrochemical systems. The carbon GDE frameworks were produced by electrospinning. It was found that the motion of ionic liquids in the highly porous hosts is more complex than what is commonly exhibited by conventional fluids, which makes a multimodal investigation essential for an adequate description of mobility and wetting of GDEs. Observed NMR diffraction-like patterns cannot be linked to the tortuosity limit but may serve as a proxy for structural features in the fibrous material. While the observed data were interpreted using standard theoretical models, alternative explanations and causes for artifacts are discussed.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

Solid-state batteries are gaining a lot of attention in the commecial sector today. Development of the solid state electrolytes is an important part in making commercially viable solid-state batteries. While many solid-state electrolytes are struggling with low ionic conductivity, some have shown comparatively high conductivities that can be engineered to perform better to be implemented for consumer market. Silica based solid composite electrolytes (SCEs) are one of the materials that are of huge interest as solid-state electrolytes. As a continuation of the previous research into the silica based SCE’s, the current work focuses on the study of SCEs based on the commercially available mesoporous silica (MPS) of different pore sizes and nanosized silica powder (SNP). Ionic Liquid electrolyte (ILE) based on Li-TFSI and BMP-TFSI mixture was used to prepare composities under different humidity conditions. The effect of the extent of -OH group functionalization of silica, determined by FTIR on treated and untreated powders, on ionic conductivity was also evaluated. Obtained composities were evaluated with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and analysed with TGA to establish correlations based on particle size and pore characteristics of MPS powder. Camparison with SNP was also made in anticipation to draw correlations with MPS. It was found that the pore size and pore volume change have more impact on the conductivity compared to surafce area of commercially obtained MPS and an unexplored pheonomenon was observed in case of SNP based SCE’s. Glovebox (GB) samples at relative humidity (RH)-0.005% have higher conductivity than dryroom samples at RH-0.5%. These findings can be used for a future reference in evaluating commercial MPS based composites as solid-state electrolytes. / Solid-state-batterier får stor uppmärksamhet i den kommersiella sektorn idag. Utveckling av fasta elektrolyter är en viktig del för att göra kommersiellt gångbara solid state-batterier. Medan många fasta elektrolyter kämpar med låg jonledningsförmåga, har vissa visat jämförelsevis höga ledningsförmåga som kan konstrueras för att prestera bättre för att implementeras för konsumentmarknaden. Kiselbaserade fasta kompositelektrolyter (SCE) är ett av de material som är av stort intresse som fasta elektrolyter. Som en fortsättning på den tidigare forskningen om de kiselbaserade SCE:erna fokuserar det nuvarande arbetet på studiet av SCE:er baserade på den kommersiellt tillgängliga mesoporösa kiseldioxiden (MPS) av olika porstorlekar och nanosized kiseldioxidpulver (SNP). Jonisk flytande elektrolyt (ILE) baserad på Li-TFSI och BMP-TFSI-blandning användes för att framställa kompositer under olika luftfuktighetsförhållanden. Effekten av omfattningen av -OH-gruppfunktionalisering av kiseldioxid, bestämd med FTIR på behandlade och obehandlade pulver, på jonkonduktiviteten utvärderades också. Erhållna sammansättningar utvärderades med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) och analyserades med TGA för att fastställa korrelationer baserat på partikelstorlek och poregenskaper hos MPS-pulver. Kamparison med SNP gjordes också i väntan på att dra korrelationer med MPS. Det visade sig att porstorleken och porvolymsförändringen har mer inverkan på konduktiviteten jämfört med ytan för kommersiellt erhållen MPS och ett outforskat fenomen observerades i fallet med SNP-baserade SCE. Handskbox (GB) prover vid relativ fuktighet (RH)-0,005 % har högre konduktivitet än torrrumsprover vid RH-0,5 %. Dessa resultat kan användas för en framtida referens vid utvärdering av kommersiella MPS-baserade kompositer som fasta elektrolyter.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.