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Patentes

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Número de publicaciónDE19948742 C1
Tipo de publicaciónConcesión
Número de solicitudDE1999148742
Fecha de publicación28 Dic 2000
Fecha de presentación9 Oct 1999
Fecha de prioridad9 Oct 1999
También publicado comoWO2001027947A1
Número de publicación1999148742, 99148742, DE 19948742 C1, DE 19948742C1, DE-C1-19948742, DE19948742 C1, DE19948742C1, DE1999148742, DE99148742
InventoresWerner Scherber, Mathias Boehmisch, Cornelius Haas
SolicitanteDornier Gmbh
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Enlaces externos: DPMA, Espacenet
Electrochemical capacitor used e.g. in telecommunications consists of single cell(s) with electrodes formed of an electrically conducting or semiconducting nano-structured film
DE 19948742 C1
Resumen
Electrochemical capacitor consists of a single cell or a stack of single cells. Each cell comprises an electrode (8), a counter electrode (9) and an electrolyte (6) that moistens the electrodes. The electrodes are formed of an electrically conducting or semiconducting nano-structured film. Nano-structured discrete needle-like elements are anchored to one surface.
Reclamaciones(18)  traducido del alemán
1. Elektrochemischer Kondensator aus einer Einzelzelle oder einem Stapel von Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle eine Elektrode ( 8 ), eine Gegenelektrode ( 9 ) sowie einen die Elektroden ( 8 , 9 ) benetzenden Elektrolyten ( 6 ) umfaßt, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektroden ( 8 , 9 ) aus einem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden, nanostrukturierten Film gebildet sind, bei dem nano strukturierte diskrete, nadelförmige Elemente ( 1 , 3 ) auf einer Oberfläche elek trisch leitfähig verankert sind. 1. The electrochemical capacitor from a single cell or a stack of individual cells, each individual cell, an electrode (8), a counter electrode (9) and an electrode (8, 9) wetting electrolyte (6), characterized in that the electrodes ( 8, 9) are formed from an electrically conductive or semi-conductive nanostructured film in which nano-structured discrete, needle-like elements (1, 3) are anchored no electric conductivity on a surface.
2. Elektrochemischer Kondensator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte der nanostrukturierten Elemente zwischen 1 und 500 pro µm 2 liegt. 2. The electrochemical capacitor according to claim 1, characterized in that the surface density of the nanostructured elements is between 1 and 500 per micron 2.
3. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) und die Oberfläche, auf der die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) verankert sind, aus dem gleichen Material bestehen. 3. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) and the surface, are anchored on which the nanostructured elements (1, 3) consist of the same material.
4. Elektrochemischer Kondensator nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekenn zeichnet, dass die Oberfläche, auf der die nanostrukturierten Elemente verankert sind, die Oberfläche einer freitragenden Folie ( 2 , 4 ) ist. 4. The electrochemical capacitor according to claim 1, 2 or 3 characterized marked characterized in that the surface on which the nanostructured elements are anchored in the surface of a self-supporting foil (2, 4).
5. Elektrochemischer Kondensator Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Folie ( 2 , 4 ) eine Dicke zwischen 1 und 20 µm aufweist. 5. The electrochemical capacitor in claim 4, characterized in that the film (2, 4) has a thickness between 1 and 20 microns.
6. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) ein Aspektverhältnis größer als 20 aufweisen. 6. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) have an aspect ratio greater than 20.
7. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) einen Durchmesser zwischen 15 und 500 nm besitzen. 7. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) have a diameter between 15 and 500 nm.
8. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) mono kristallin sind. 8. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) are monocrystalline.
9. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) eine hohlzylinderförmige Struktur aufweisen. 9. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) have a hollow cylindrical structure.
10. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) eine innere Porosität aufweisen. 10. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) have an internal porosity.
11. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) mit einem Redox-Material beschichtet sind oder vollständig aus diesem Material bestehen. 11. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) are coated with a redox material or consist entirely of this material.
12. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) und/oder die Oberfläche, auf der die nanostrukturierten Elemente verankert sind, aus einem Metall, einem Galvanometall z. B. Nickel, einem Edelmetall oder einem leitfähigen Polymer bestehen. 12. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) and / or the surface on which the nanostructured elements are anchored, Z is selected from a metal, a Galvanometall. As nickel, a noble metal or a conductive polymer.
13. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ( 8 , 9 ) bei 0 Hz eine spezifische Helmholtz-Kapazität von mehr als 10 F/g, insbesondere mehr als 50 F/g aufwei sen. 13. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (8, 9) at 0 Hz Helmholtz a specific capacity of greater than 10 F / g, in particular more than 50 F / g aufwei sen.
14. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ( 8 , 9 ) bei 0 Hz eine spezifische Helmholtz-Kapazität von mehr als 10 F/cm 3 , insbesondere mehr als 50 F/cm 3 aufweisen. 14. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrodes have (8, 9) at 0 Hz Helmholtz a specific capacity of greater than 10 F / cm 3, in particular more than 50 F / cm 3.
15. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ( 8 , 9 ) bei 100 Hz eine spezifi sche Helmholtz-Kapazität von mehr als 1 F/g, insbesondere mehr als 5 F/g auf weisen. 15. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (8, 9) at 100 Hz a specifi c Helmholtz capacity of more than 1 F / g, particularly more than 5 F / g in ways.
16. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ( 8 , 9 ) bei 100 Hz eine spezifi sche Helmholtz-Kapazität von mehr als 1 F/cm 3 , insbesondere mehr als 5 F/cm 3 aufweisen. 16. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrodes have (8, 9) at 100 Hz a specifi c Helmholtz capacity of more than 1 F / cm 3, particularly more than 5 F / cm 3.
17. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Elemente ( 1 , 3 ) im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche orientiert sind. 17. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructured elements (1, 3) are oriented substantially perpendicular to the surface.
18. Elektrochemischer Kondensator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ( 6 ) ein flüssiger Elektrolyt oder ein Festkörperelektrolyt ist. 18. The electrochemical capacitor according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte (6) is a liquid electrolyte or a solid electrolyte.
Descripción  traducido del alemán

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Kondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an electrochemical capacitor according to the preamble of claim 1.

Elektrochemische Kondensatoren, in der Literatur auch als Doppelschichtkondensa toren oder Superkondensatoren bezeichnet, sind elektrochemische Energiespeicher, die sich gegenüber Batterien durch eine deutlich höhere Leistungsdichte, gegenüber konventionellen Kondensatoren durch eine um Größenordnungen höhere Energie dichte auszeichnen. Electrochemical capacitors, motors in the literature as Doppelschichtkondensa or called supercapacitors are electrochemical energy storage, the opposing batteries are characterized by a significantly higher power density than conventional capacitors by orders of magnitude larger energy density. Sie beruhen auf der potentialgesteuerten Ausbildung von Helmholtz-Doppelschichten und/oder elektrochemischen Redoxreaktionen hoher Ladungskapazität und Reversibilität an elektrisch leitfähigen Elektrodenoberflächen in geeigneten Elektrolyten. They are based on the potential-controlled formation of Helmholtz double layers and / or electrochemical redox reactions, high charge capacity and reversibility of electrically conductive electrode surfaces in suitable electrolytes. Vorrangige potentielle Einsatzgebiete mit besonderer wirtschaftlicher Bedeutung liegen beispielsweise in den Bereichen Elektrotraktion (Kraftfahrzeuge) und Telekommunikation. Target potential application areas of special economic importance are, for example in the areas of electric traction (cars) and telecommunications. Hierbei kann durch Abfangen von Leistungsspitzen die Nennleistung der primären Energiequelle reduziert, die Lebens dauer und Reichweite verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit des. Gesamtsystems wesentlich verbessert werden. In this case, can be reduced by trapping of the rated power output peaks of the primary source of energy, lengthens the life duration and magnitude, and thus the economics of the. Total system can be substantially improved.

Zur Herstellung der Superkondensator-Elektroden haben sich die auf Aktivkohlen stoffen basierenden Werkstoffkonzepte durchgesetzt, denen in Kombination mit organischen Elektrolyten hinsichtlich Leistungsdaten und Kosten derzeit das größte Marktpotential zugeschrieben wird. To prepare the supercapacitor electrode materials on the activated carbon-based material concepts have prevailed, which in combination with organic electrolytes with respect to performance and cost of currently the largest market potential is attributed. Es existieren erste Produkte im Kleinserien stadium, die Energiedichten von etwa 3 Wh/kg erreichen, z. B. WO 98/15962 A1. There are the first products in small batches stage, achieve energy densities of about 3 Wh / kg, eg., WO 98/15962 A1. Des weiteren existieren eine Vielzahl von Konzepten zur Herstellung dieser Aktivkohlen stoff-Superkondensatoren bzw. deren Elektroden, z. B. EP 0 712 143 A2, DE 197 24 712 A1. Furthermore, there are a variety of approaches to the production of activated carbon cloth supercapacitors or its electrodes, eg., EP 0712143 A2, DE 197 24 712 A1. Typischerweise lassen sich hier maximal 50 bis 100 Farad Kapazität pro Gramm des aktiven Elektrodenmaterials erreichen. Typically this can reach a maximum of 50 to 100 farad capacity per gram of active electrode material. Bei einem Super kondensator selbst entfallen derzeit ca. 25 Massenprozent auf die eigentlichen Elektroden und ca. 75 Massenprozent auf Gehäusebauteile, Stromkollektoren und Elektrolyt. With a super capacitor itself currently accounts for about 25 percent by weight of the actual electrode and about 75 percent by mass housing components, current collectors and electrolyte. Zur Anwendung als Spitzenlastspeicher ist bei diesen Elementen jedoch das Verhältnis aus Nutzenergie und Speichergewicht vielfach noch zu klein, um in realen Anwendungen ökonomisch sinnvoll zum Einsatz zu kommen. For use as peak load memory, however, the ratio of useful energy storage and weight of these elements often too young to get into real applications economically viable for use. Die Optimierung der Leistungsdaten kann also sowohl über das Stapeldesign (mehrere elektrisch in Serie geschaltete Einzelzellen übereinander gestapelt) als auch über die eigentlichen Kondensatorelektroden (Oberflächenstrukturen und Materialien) erfolgen. The optimization of the performance data may therefore take place both via the stack design (a plurality of electrically series-connected single cells stacked on each other) and on the actual capacitor electrodes (surface structures and materials).

Aktivkohlematerialien weisen zwar eine extrem hohe poröse Oberfläche auf, aber die Verteilung der Porengrößen ist sehr breit und erstreckt sich hinunter bis in den Bereich ≈ 1 nm. Da typische Helmholtz-Schichtdicken selbst bei bis zu 5 nm liegen, kann bei diesem Elektrodenmaterial die Helmholtz-Speicherschicht nicht vollständig an der tatsächlich vorhandenen Oberfläche ausgebildet werden. Although activated carbon materials have an extremely high porous surface, but the distribution of pore sizes is very wide and extends down into the area ≈ 1 nm. Since typical Helmholtz layer thicknesses are even with up to 5 nm, at this electrode material, the Helmholtz memory layer can not be completely formed on the surface actually present.

Die typischerweise eher schwammartige Geometrie von Aktivkohlematerialien wirkt sich zusätzlich auch nachteilig auf das Frequenzverhalten der Kapazität aus. The typically more sponge-like geometry of activated carbon materials also has an additional adverse effect on the frequency response of the capacitor from. Denn sie ist für den Elektrolyten gleichbedeutend mit relativ langen und engen Wegen und daher zwangsläufig mit einem relativ hohen ohmschen Innenwiderstand verküpft. For it is synonymous with relatively long and narrow paths and therefore necessarily OR'd with a relatively high internal ohmic resistance of the electrolyte. Aufgrund der hohen, dazu in Serie geschalteten Kapazitäten führt dies zu einer Herabsetzung der Grenzfrequenz des Gersamtbauteiles, dh bereits bei moderaten Frequenzen (typischerweise etwa 1 Hz) sind nur noch Bruchteile der bei Gleichspan nung verfügbaren Elektrodenkapazität nutzbar. Due to the high, connected in series capacitances, this leads to a reduction in the cutoff frequency of the Gersamtbauteiles, that already at moderate frequencies (typically about 1 Hz) are only a fraction of the available during DC voltage electrode capacity available. Dies schränkt den praktischen Einsatz von Superkondensatoren mit derartigen Elektroden weiter ein. This limits the practical use of supercapacitors with such electrodes further.

Weiterhin ist von Aktivkohleelektroden bekannt, dass aufgrund hoher Übergangs widerstände zu Metallen wie Aluminium eine niederohmige Kontaktierung des aktiven Elektrodenmaterials nur schwierig und mit erhöhtem Aufwand (an Masse bzw. Volumen, und damit auch Kosten) zu bewerkstelligen ist. It is also known by activated carbon electrodes that resistances due to high transition to metals such as aluminum low-resistance contacting the electrode active material only with difficulty and with increased effort (in mass or volume, and thus cost) is to accomplish. Zusätzlich führt die id R vorhandene körnige innere Struktur des Elektrodenmaterials - ebenfalls durch Kontaktwiderstände - zu einem erhöhten Innenwiderstand der aktiven Elektrode selbst. In addition, leads the id of existing R-grained internal structure of the electrode material - also by contact resistance - to an increased internal resistance of the active electrode itself.

Neben der bereits beschriebenen negativen Auswirkung auf das Frequenzverhalten bewirkt der relativ hohe ohmsche Widerstand auch dissipative Verluste, die durch die einher gehende thermische Belastung des Bauteiles dessen Einsatzmöglichkeiten noch weiter einschränken bzw. bei entsprechenden konstruktiven Maßnahmen (Kühlbleche etc.) die nutzbare massen- wie auch volumenbezogene Energiespei cherdichte drastisch reduzieren. In addition to the previously described negative effect on the frequency response of the relatively high ohmic resistance and dissipative losses that limit the associated thermal loading of the component whose capabilities even further and with appropriate design measures (heat sinks, etc.) results in the usable mass-like volume-based Energiespei cherdichte drastically reduced.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Superkon densator mit gegenüber den bekannten Kondensatoren verbesserten Leistungsdaten zu schaffen, dessen Elektrodengeometrie und Elektrodenmaterial gleichzeitig ein deutlich verbessertes Stapeldesign erlauben. Therefore, the present invention has for its object, a capacitor Superkon create, at the same time allow the electrode geometry and electrode material significantly improved stack design with respect to the known capacitors improved performance.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. This object is achieved by the subject of claim 1. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Preferred embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Erfindungsgemäß sind die Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen oder halblei tenden, nanostrukturierten Film gebildet, bei dem nanostrukturierte diskrete, nadel förmige Elemente auf einer Oberfläche elektrisch leitfähig verankert sind. According to the invention, the electrodes are formed of an electrically conducting or semiconducting border, nanostructured film are anchored in the electrically conductive nanostructured discrete, needle-like elements on a surface.

Nanostrukturiertes Element im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet dabei eine Materialstruktur mit Abmessungen wenigstens einer Strukturdimension im Nanometerbereich (<1 µm). Nanostructured element according to the present invention denotes a material structure with dimensions of at least one structural dimension in the nanometer range (<1 micron).

Mit den erfindungsgemäßen Elektroden wird eine große effektive Oberfläche zur Ausbildung der Helmholtz-Speicherschicht erzeugt. With the electrodes according to the invention a large effective surface area for forming the Helmholtz-storage layer is produced. Deren Größe an einer ebenen metallischen Oberfläche beträgt im wässrigen Elektrolyten typischerweise etwa 40 µF/cm 2 . Its size on a flat metallic surface is in the aqueous electrolyte is typically about 40 microfarads / cm 2. Die Flächendichte der nanostrukturierten Elemente liegt bevorzugt im Bereich von 1-500 pro µm 2 , deren Durchmesser bevorzugt im Bereich von 15-500 nm, womit z. B. für metallische Strukturen die notwendige Materialstabilität gewährleistet wird. The areal density of the nanostructured elements is preferably in the range of 1-500 per micron 2, whose diameter is preferably in the range of 15-500 nm, whereby, for. Example, for metallic structures, the material required stability is ensured. Das Aspektverhältnis (Verhältnis zwischen Höhe und mittlerem Durchmesser) der nanostrukturierten nadelförmigen Elemente ist in vorteilhaften Ausführungen größer als 20. The aspect ratio (ratio between height and mean diameter) of nanostructured acicular elements is greater than 20 in advantageous embodiments.

Im Gegensatz zu den bekannten schwammartigen Elektrodenstrukturen erlaubt die erfindungsgemäße diskrete - bevorzugt regelmäßige - Anordnung der nanostruktu rierten Elemente darüber hinaus auch ein schnelleres und vollständiges Ausbilden der Helmholtz-Schichten an der vorhandenen Oberfläche und damit eine deutliche Verbesserung der Leistungscharakteristik. Preferably regular - - arrangement of nanostructures tured elements beyond a faster and more complete form of the Helmholtz layers to the existing surface and thus a significant improvement in performance characteristics in contrast to the known sponge-like electrode structures according to the invention allows discrete.

Weiterhin werden durch die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur in Form lateral angeordneter nanostrukturierter Elemente die thermischen Verluste bei Lade- und Entladevorgängen reduziert und damit der Einsatzbereich der Superkondensatoren auch für höherfrequente Anwendungen (<1 Hz) erweitert. Furthermore laterally arranged nanostructured elements are determined by the electrode structure according to the invention in the form of reduced thermal losses in charging and discharging, and thus the application range of supercapacitors for higher frequency applications (<1 Hz) expanded. Eine gut elektrisch leitfähige (z. B. metallische) Trägerfolie und hierauf kontaktierte gut elektrisch leitfähige (z. B. metallische) nanostrukturierte Elemente, insbesondere aus demselben Material, minimieren die Material- und Kontaktwiderstände deutlich. A good electrically conductive (eg. As metallic) carrier film and thereafter contacted well electrically conductive (eg. As metallic) nanostructured elements, in particular of the same material, the material and minimize contact resistance significantly. Dies wird darüber hinaus durch den Einsatz einkristalliner nanostrukturierter Elemente unterstützt, wie sie bei geeigneten Wachstumsprozessen (z. B. elektrochemische Abscheidung) gebildet werden können. This is further supported by the use of single-crystalline nanostructured elements as in appropriate growth processes (eg. As electrochemical deposition) can be formed.

Bei Kenntnis der Geometrieparameter der nanostrukturierten Elemente (Durchmes ser, Aspektverhältnis und Flächendichte) läßt sich die effektive Oberfläche einer einzelnen Elektrode direkt ermitteln. When the geometry parameters of the nanostructured elements (diam water, aspect ratio and surface density) can be determined directly the effective surface area of a single electrode. Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung der Elektrode durch elektrochemisches Wachstum mittels einer geeigneten Wahl der Konzentration auch Elemente mit zusätzlicher innerer schwammförmiger Porosität sowie hohlzylinderförmige Elemente (Röhrchen) gebildet werden können. It has been found that in the preparation of the electrode elements also with additional internal spongy porosity and hollow cylindrical elements (tubes) can be formed by electrochemical growth by means of a suitable choice of the concentration. Dadurch kann eine weiteren Vergrößerung der effektiven Oberfläche um mindestens einen Faktor zwei und damit einer Vergrößerung der Helmholtz-Kapazität erreicht werden. This allows a further increase in the effective surface by at least a factor of two, and thus an increase in the Helmholtz capacitance can be achieved.

Einige Metalloxide (z. B. RuO 2 ) oder leitfähige Polymere erlauben in geeigneten Elektrolyten eine Energiespeicherung durch an der Oberfläche ablaufende Redox reaktionen. Some metal oxides (eg. As RuO 2) or conductive polymers allow in a suitable electrolyte energy storage by running on the surface redox reactions. Die Umladung solcher Redoxsysteme an der Elektrodenoberfläche führt neben der Ausbildung der Helmholtz-Doppelschicht zu einer zusätzlichen Elektro denkapazität (Pseudokapazität). The transhipment of such redox systems at the electrode surface leads not only to the formation of the Helmholtz double layer to an additional electric denkapazität (pseudo capacity). Diese Eigenschaft kann bei den Elektroden der vorliegenden Erfindung entweder durch eine dünne (<10 nm) Beschichtung mit einem entsprechenden Redoxsystem (z. B. RuO 2 ) oder durch direkte Bildung der nano strukturierten Elemente aus eben diesem Material erreicht werden. This property can be achieved with the electrodes of the present invention, either by a thin (<10 nm) coating with a corresponding redox system (eg. As RuO 2) or by direct formation of the nanostructured elements of just this material.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Superkondensators liegt darin, dass der nanostrukturierte Elektrodenfilm über geeignete Herstellungsverfahren aus belie bigen halbleitenden oder leitfähigen Materialien wie Metallen, Edelmetallen, Galvanometallen (galvanisch abscheidbare Metalle), insbesondere Nickel oder leitfähigen Polymeren erzeugt werden kann. A further advantage of the supercapacitor according to the invention is that the nanostructured electrode film can be produced by suitable manufacturing method of belie-lived semiconductive or conductive materials such as metals, precious metals, Galvanometallen (electrodepositable metals), in particular nickel or conductive polymers.

Die Herstellung der Trägerfolie und hierauf das Wachstum der nanostrukturierten Elemente kann bei Einsatz elektrochemischer Abscheidung in einem Arbeitsschritt erfolgen. The preparation of the support film and thereafter the growth of the nanostructured elements can be effected with the use of electrochemical deposition in one work step. Die Dicke der Trägerfolie ist dabei vorteilhaft zwischen 1 und 20 µm einzu stellen. The thickness of the carrier film is set advantageously einzu 1-20 microns. Damit wird die elektrische Leitfähigkeit, Kontaktierbarkeit und auch die mechanische Stabilität zum Aufbau einer Superkondensator-Einzelzelle bzw. Stapels garantiert. In order for the electrical conductivity, contactability and the mechanical stability is guaranteed for establishing a supercapacitor single cell or the stack.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. The invention is illustrated by means of embodiments with reference to drawings. Es zeigen: In the drawings:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Superkondensator-Elektrode; Fig. 1: an inventive supercapacitor electrode;

Fig. 2: REM-Aufnahme eine erfindungsgemäßen Superkondensator-Elektrode; Fig. 2: SEM image of a supercapacitor electrode of the invention;

Fig. 3: einen erfindungsgemäßen Superkondensator, bestehend aus einer Einzel zelle; Fig. 3: a supercapacitor according to the invention, consisting of a single cell;

Fig. 4: einen erfindungsgemäßen Superkondensator, bestehend aus einem Stapel mehrerer Einzelzellen; Fig. 4: a supercapacitor according to the invention, consisting of a stack of several individual cells;

Fig. 5: Frequenzverhalten der spezifischen Helmholtz-Kapazitäten einer erfindungs gemäßen Superkondensator-Elektrode nach Fig. 2 in 1molarer KOH. FIG. 5 shows frequency response of the Helmholtz-specific capacities of a fiction, modern supercapacitor electrode of Figure 2 in 1 molar KOH..

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Superkondensator-Elektrode aus einer frei tragenden Folie 2 und hierauf verankerten nanostrukturierten, diskreten Elementen 1 , die nadelförmig ausgebildet sind. Fig. 1 shows an inventive supercapacitor electrode consists of a self-supporting film 2 and thereafter anchored nanostructured discrete elements 1, which are needle-shaped. Diskret im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass es sich um voneinander getrennte Elemente mit jeweils eigener Struktur handelt, also nicht um miteinander verbundene Elemente, wie dies z. B. bei einer schwammartigen Struktur der Fall ist. Discretely within the meaning of the present invention means that it is separated elements each with its own structure, thus not interconnected elements, as described, for. Example, in the case of a sponge-like structure.

Fig. 2 zeigt die REM-Aufnahme einer erfindungsgemäße Superkondensator- Elektrode aus einer freitragenden Nickel-Folie 4 und hierauf verankerten nanostruktu rierten Elementen 3 aus Nickel. Fig. 2 shows the SEM image of a Superkondensator- inventive electrode consists of a cantilever nickel foil 4 and thereafter anchored nanostructures grated 3 elements of nickel. Die nanostrukturierten nadelförmigen Elemente 3 sind die dieser Ausführung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Folie 4 orientiert und gleichmäßig über die Oberfläche der Folie 4 verteilt. The nanostructured acicular elements 3 are in this embodiment substantially perpendicular to the surface of the film 4 oriented and uniformly distributed over the surface of the film 4.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Superkondensator. Fig. 3 shows a supercapacitor according to the invention. Er besteht in dieser Ausführung aus einer Einzelzelle, die die Elektroden 8 , 9 , einen Abstandshalter 5 , sowie einen flüssigen Elektrolyten 6 , der die Elektroden und den Abstandshalter benetzt, umfaßt. It consists in this embodiment from a single cell, the electrodes 8, 9, a spacer 5, and a liquid electrolyte 6, which wets the electrodes and the spacer comprises. Die Elektroden sind erfindungsgemäß in Form nanostrukturierter Dünnschichtelektroden ausgebildet. The electrodes are according to the invention in the form of nanostructured thin film electrodes. Der Abstandshalter 5 verhindert den mechani schen Kontakt zwischen den Elektroden 8 , 9 und ist für den Elektrolyten durchlässig. The spacer 5 prevents the mechanical or chemical contact between the electrodes 8, 9 and is permeable to the electrolyte. Er ist für diesen Zweck z. B. porös ausgebildet. He is porous for this purpose, for. Example. Bezugsziffer 7 bezeichnet die äußere Kontaktierung des Superkondensators. Reference numeral 7 designates the outer contact of the supercapacitor. Wird anstatt eines flüssigen Elektrolyten ein Festkörperelektrolyt eingesetzt, entfällt der Abstandshalter 5 . If a solid electrolyte used instead of a liquid electrolyte, eliminating the spacer. 5

Zum Aufbau der Zelle werden zwei erfindungsgemäße Elektroden 8 , 9 auf den porösen Abstandshalter 5 angepresst, wobei die nanostrukturierten Seiten der beiden Elektroden 8 , 9 einander zugewandt sind. For the construction of the cell are two electrodes according to the invention 8, 9 are pressed onto the porous spacer 5, wherein the nanostructured side of the two electrodes 8, 9 are facing each other. Die Elektroden werden auf ihrer unstrukturierten Seite kontaktiert, das Gesamtsystem mit dem Elektrolyten 6 befüllt und in ein geeignetes Gehäuse eingefasst und abgedichtet. The electrodes can be contacted on their unstructured side, filled the whole system with the electrolyte 6 and enclosed and sealed in a suitable enclosure.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Superkondensator, der in dieser Ausführung aus einer Mehrzahl von n Einzelzellen besteht, die nach Art eines Stapels nebenein ander oder übereinander angeordnet sind. Fig. 4 shows a supercapacitor according to the invention, which consists in this embodiment of a plurality of n individual cells, which are arranged nebenein other or one above the other in the manner of a stack.

Zum Aufbau des Stapels werden die Einzelzellen aufeinander gestapelt und ange presst. To set up the stack, the individual cells are stacked and pressed. Somit entsteht über die leitfähigen Elektrodenfilme eine Reihenschaltung einzelner Kondensatorelemente ohne zusätzliche Kontaktierschritte. Thus arises via the conductive electrode films a series of individual capacitor elements without additional Kontaktierschritte. Die Kontaktie rung des Stapels, das Befüllen mit Elektrolyt und Einfassen in ein Gehäuse geschieht analog zur Einzelzelle. The PLEASE CONTACT tion of the stack, filling with electrolyte and mounting in an enclosure is analogous to the single cell.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zum Frequenzverhalten der spezifischen Helmholtz- Kapazitäten (gestrichelte Line: pro Masse; durchgezogene Linie: pro Volumen) einer erfindungsgemäßen Superkondensator-Elektrode. Fig. 5 shows a diagram for frequency behavior of the specific Helmholtz capacity (dashed line: per mass; solid line: per volume) of a supercapacitor electrode of the invention. Als Elektrolyt wurde KOH einge setzt. As the electrolyte KOH was set.

Wie man daraus entnehmen kann, vermindert sich die Kapazität bei Frequenzbeauf schlagung gegenüber dem Gleichspannungswert (0 Hz) nur langsam und bleibt auch bei höheren Frequenzen, z. B. 100 Hz noch weitgehend erhalten. As can be seen from this, the capacitance (0 Hz) decreased in Frequenzbeauf is restored to over the DC value only slowly and remains at higher frequencies, eg. As yet largely preserved 100 Hz.

Allgemein weisen die erfindungsgemäßen Elektroden vorteilhaft einen Gleich spannungswert der spezifischen Helmholtz-Kapazität von mehr als 10 F/g bzw. mehr als 10 F/cm 3 , besonders vorteilhaft mehr als 50 F/g bzw. mehr als 50 F/cm 3 auf. Generally, electrodes according to the invention advantageously has a specific DC voltage value of the Helmholtz capacitance of greater than 10 F / g or more than 10 F / cm 3, particularly advantageously more than 50 F / g or more than 50 F / cm 3.

Bei einer Frequenz von 100 Hz weisen die erfindungsgemäßen Elektroden vorteilhaft einen Wert der spezifischen Helmholtz-Kapazität von mehr als 1 F/g bzw. mehr als 1 F/cm 3 , besonders vorteilhaft mehr als 5 F/g bzw. mehr als 5 F/cm 3 auf. At a frequency of 100 Hz electrodes according to the invention advantageously have a specific value of the Helmholtz capacitance of more than 1 F / g or more than 1 F / cm 3, particularly advantageously more than 5 F / g and more than 5 F / cm 3.

Im nachfolgenden Beispiel wird die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode im Labormaßstab beschrieben. In the following example the preparation of an electrode according to the invention will be described on a laboratory scale. Im großtechnischen Maßstab können prinzipiell ähnliche Methoden zur Anwendung kommen. On an industrial scale can be applied in principle similar methods.

Beispiel Example

Bei der anodischen Oxidation eines Aluminiumsubstrats entsteht ein nanoporöser Oxidfilm mit parallelen, durchgehend zylinderförmigen und senkrecht zur Substrat oberfläche ausgerichteten Poren. In the anodic oxidation of an aluminum substrate creates a nanoporous oxide film with parallel, continuous cylindrical surface and perpendicular to the substrate aligned pores. Die Porendurchmesser können im Bereich von 15- 500 nm, die Flächendichte der Poren von ca. 1 bis 500 pro µm 2 , und die Porenlänge bis zu 100 µm eingestellt werden. The pore diameters can be the surface density of the pores of about 1 to 500 per micron 2, and the pore length can be adjusted up to 100 microns in the range of 15- 500 nm. Der Oxidfilm wird vom Aluminiumsubstrat abgelöst, so dass eine keramische nanoporöse Filtermembran entsteht. The oxide film is peeled off from the aluminum substrate, so that a ceramic nano-porous filter membrane. Diese Membran wird auf einer Seite mit einem metallischen Film als Kontaktelektrode bedampft. This membrane is coated on one side with a metallic film as a contact electrode. Die Filmdicke wird so gewählt, daß die Oxidporen verschlossen werden. The film thickness is selected such that the oxide pores are closed. Zur Erzeugung nanostrukturierter Nickel-Elemente auf einem Nickel-Film wird die bedampfte Mem bran kontaktiert und in ein galvanisches Nickelbad eingebracht. For producing nanostructured elements on a nickel film, the nickel-metallized Mem bran is contacted and placed in a galvanic nickel bath. Bei galvansicher Abscheidung werden einerseits die Oxidporen von der aufgedampften Grundelektro de her mit den gewünschten nanostrukturierten Elementen aufgefüllt, andererseits wird die Grundelektrode zu einem metallischen Film im Mikrometerbereich aufge dickt. In galvansicher deposition on the one hand the oxide pores of the vapor-deposited base electric de forth are filled with the desired nanostructured elements, on the other hand, the base electrode is thickened to a metallic film in the micron range up. Anschließend kann die Oxidkeramik naßchemisch selektiv abgebeizt werden, so daß der gewünschte Elektrodenfilm mit leitfähig angebundenen nanostrukturierten Nickel-Elementen entsteht. Subsequently, the oxide ceramics can be selectively wet-chemically stripped, so that the desired electrode film is produced with conductive nanostructured nickel-connected elements.

Citas de patentes
Patente citada Fecha de presentación Fecha de publicación Solicitante Título
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Citada por
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US777647817 Jul 200617 Ago 2010Cymbet CorporationThin-film batteries with polymer and LiPON electrolyte layers and method
US787712021 Ago 200825 Ene 2011Cymbet CorporationBattery-operated wireless-communication apparatus and method
US793198917 Jul 200626 Abr 2011Cymbet CorporationThin-film batteries with soft and hard electrolyte layers and method
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US821914025 Ene 201110 Jul 2012Cymbet CorporationBattery-operated wireless-communication apparatus and method
US863734927 Dic 201028 Ene 2014Cymbet CorporationMethod and apparatus for integrated-circuit battery devices
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WO2014201488A117 Jun 201424 Dic 2014Technische Universität WienDouble-layer capacitor comprising a porous semiconductor capacitor electrode
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