Electrified carbon/iodide interface for hybrid capacitors

Elektrochemische Kondensatoren (EK) sind im Vergleich zu wiederaufladbaren Batterien, wie z.B. der Lithium-Ionen-Akkumulator, einzigartige Energiespeicher bezüglich der Möglichkeit hohe Leistungen zu generieren. Zusätzlich, aufgrund des hauptsächlich physikalischen Lademechanismus, können EK ohne wesentliche Leistungseinbußen millionenfach geladen und entladen werden. Aufgrund dessen finden EK zahlreiche Anwendungen, wie z.B. bei der Bremsenergierückgewinnung in Hybridfahrzeugen. Laut Fahrzeugherstellern kann dadurch bis zu 30 % Treibstoff eingespart werden.Durch eineSteigerungder energetischenLeistung von EKkönntederen Anwendungsspektrum erweitert werden, mit dieser Motivation wird das Projekt Charge transfer at the electrified carbon/iodide interface and its application for the development of high energy hybrid electrochemical capacitors eingereicht. In dieser Arbeit werden hybride EK entwickelt wo eine Elektrode als Batterieelektrode arbeitet (hohe Kapazität), und die zweite Elektrode als Kondensatorelektrode.Diesesogenannten elektrochemische kondensatorenwerden mit unbedenklichen, umweltfreundlichen wässrigen Elektrolyten arbeiten. Durch das Lösen von redoxaktiven Stoffen, wie z.B. Iodide, kann in diesen hoch-leitfähigen Elektrolyten zusätzlich die Kapazität erhöht werden. Das grundlagenforschungsorientierte Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung des Ladungsdurchtritts an der Grenzfläche Kohlenstoff/Iod. Die Iod-Spezies kann durch physikalische oder elektrochemische Prozesse in die Kohlenstoffporen gelangen, dies beeinflusst den Ladungsdurchtritt. Mithilfe von in situ elektrochemische techniken, Raman-Resonanz-Spektroskopie und Mößbauer-Spektroskopie werden die Interaktionen der Polyiodid-Spezies in den Kohlenstoffmaterialien untersucht. Die optimierten positiven Elektroden aus Kohlenstoff mit einer hohen Kapazität werden mit kapazitiven negativen Elektroden kombiniert werden. Die hochkonzentrierten neutralen Salzlösungen in diesen hybriden EK verhindern eine schädliche Oxidation der Kohlenstoffmaterialien bei Langzeitanwendungen in einem breiten Temperaturbereich. In Alterungsversuchen wird das Entstehen von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen an der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode mittels Thermogravimetrie, Massenspektroskopie und elektrochemischen Methoden untersucht werden. Die Resultate des Projekts werden ein besseres elektrochemisches Verständnis der Grenzfläche Kohlenstoff/Iod sein, sowie ein besseres Verständnis der Polyiodid-Spezies welche in Kohlenstoffporen oder auf Kohlenstoffoberflächen entstehen. Letztere Polyiodid-Spezies könnten unterschiedlich sein zu den bisher bekannten Spezies. Dieses Wissen wird es ermöglichen neue Elektrodenmaterialien und neue umweltfreundliche preisgünstige wässrige Elektrolyte zu entwickeln für die Herstellung von hybriden EK mit einer hohen Leistung und hohem Energiegehalt.

Das Lise-Meitner-Projekt M 2576-N37 (verliehen an Dr. Qamar Abbas als Projektleiter, PI) wurde vom 1. März 2019 bis zum 28. Febr. 2021 an der Technischen Universität Graz durchgeführt. Der Fokus lag auf der Untersuchung der Iod/Kohlenstoff-Grenzfläche mittels elektrochemischen und physikalisch-chemischen Methoden. Im Rahmen dieses Projekts konnten neue Forschungsrichtungen erarbeitet und neue Kooperationen etabliert werden. Das Verständnis, wie sich die Ladungsübertragung auf die Strukturparameter von Kohlenstoff auswirkt und wie man durch Einlagerung von Iod in hochporösen Kohlenstoff Elektroden mit hoher Kapazität zur Energiespeicherung herstellen kann, konnte erheblich verbessert werden. Aus einem umweltfreundlichen, aus Iodiden bestehenden wässrigen Elektrolyten wurde Iod elektrochemisch abgeschieden und in die Kohlenstoffelektrode eingelagert. Somit konnten nachhaltige Hybrid-Superkondensatoren geschaffen werden. Zur Herstellung der Iod/Kohlenstoff Elektroden wurde gewöhnlicher aktivierter und nanoporöser Kohlenstoff verwendet und eine konzentrierte, wässrige Elektrolylösung mit Iod Zusätzen. Somit zählt dieses System zu einem der kosteneffizientesten Technologien um Energie zu speichern oder Energie schnell zur Verfügung zu stellen. Es wurde entdeckt, dass die Ladung mittels Iod-Nanokristallen in kleinen Poren der Kohlenstoffelektrode gespeichert wird und daher das System ein batterieähnliches Verhalten zeigt. Mit Hilfe der Raman-Spektroskopie und ergänzenden Techniken konnten Änderungen der Kohlenstoffstrukturparameter wie zB. der D- und G-Banden ausgewertet werden. Zusätzlich wurde die Bildung von Polyiodiden (Umwandlung von Iod in Triiodid und Pentaiodid) untersucht, da diese zu Ladungsverlusten geführt haben. Folgende wichtige Forschungsgebiete wurden in diesem Projekt entwickelt: Elektroabscheidung von Iod in Kohlenstoff-Nanoporen und Polyiodidspezies wurden identifiziert. Änderungen der strukturellen Parameter von Kohlenstoffelektroden wurden untersucht. Lademechanismus und Ladekompensationsverhalten von Kohlenstoffelektroden in iodidbasierten wässrigen Elektrolyten wurden untersucht. Konzentrierte wässrige Elektrolyte wurden entwickelt, um parasitäre Reaktionen der Kohlenstoffelektrode zu unterdrücken. Hybrid-Superkondensatoren in umweltfreundlichen wässrigen Elektrolyten mit effizienter Leistungsabgabe wurden entwickelt, welche mit der Leistung von auf organischen Lösungsmittel basierenden EDLCs mithalten können. Folgende elektrochemische Methoden wurden eingesetzt: In-situ-Raman-Spektroskopie, Kleinwinkel-Röntgenstreuverfahren, elektrochemische Quarzkristall-Mikrowaage, UV-Vis-Spektroskopie, Thermogravimetrie, Zyklischer Voltammetrie, stromkontrollierter Ladung/Entladung und elektrochemischer Impedanzspektroskopie. Folgende ausgewählte Publikationen behandeln die Forschungsergebnisse: C. Prehal, H. Fitzek, G. Kothleitner, V. Presser, B. Gollas, S. Freunberger, Q. Abbas, "Persistent and reversible solid iodine electrodeposition in nanoporous carbons" Nature Communications 11, 4838 (2020). H. Schranger, S. Khosravi, H. Fitzek, Q. Abbas, "Elaborating the iodine/polyiodides equilibrium effects in nanoporous carbon-based battery electrode via extreme mass asymmetry in hybrid cells" ChemElectroChem 8 (2021) 3155-3160. Q. Abbas, P. Nürnberg, R. Ricco, F. Carraro, B. Gollas, M. Schönhoff, "Less Water, Naked Choline, and Solid Iodine for Superior Ecofriendly Hybrid Energy Storage" Advanced Energy and Sustainability Research 2 (2021) 2100115. F. Barzegar, V. Pavlenko, M. Zahid, A. Bello, X. Xia, N. Manyala, K. Ozoemena, Q. Abbas, "Tuning the nanoporous structure of carbons derived from the composite of cross-linked polymers for charge storage applications" ACS Applied Energy Materials 4 (2021) 1763-1773.