Technologischer Ansatz: Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs)
Unter den derzeitigen EES- Technologien zeichnet sich vor allem der Elektrochemische Doppelschichtkondensator (electrochemical double-layer capacitor: EDCL) durch hohe Leistungsdichte und extreme Langlebigkeit über Millionen Lade- und Entladezyklen aus. EDLCs werden auch als Supercapacitors oder Ultracapacitors bezeichnet und, im Vergleich zu Batterien wird Energie nicht chemisch, sondern rein physikalisch gespeichert. Hierbei werden in einem Elektrolyt gelöste Ionen an die Oberflächen zweier unterschiedlich polarisierter Elektroden elektrosorbiert, wobei die hierdurch gespeicherte Energie in Sekunden wieder vollständig und reversibel abgeführt werden kann.
Im Fall von ionischen Flüssigkeiten liegen keine gelösten Ionen mehr vor, und die hohe elektrochemische Beständigkeit ermöglicht besonders hohe Energiedichten. Herkömmliche Elektrolyte sind entweder wässrig oder organisch und unterscheiden sich ganz erheblich bezüglich der maximal zulässigen Spannung, bei der das System sicher und effizient betrieben werden kann. Um eine hohe Leistungs- und Energiedichte zu erhalten, ist es essentiell, die Porengröße und Porenverteilung der Elektroden genau auf den verwendete Elektrolyten (genauer gesagt: die Ionengröße) abzustimmen. Eine besondere Herausforderung ist daneben, die, im Vergleich zu Batterien, moderate Energiedichte von EDLCs zu verbessern. Dies bildet einen besonderen Forschungsschwerpunkt in der Juniorforschungsgruppe und wird mittels hybrider Systeme (so genannte Pseudokondensatoren) angegangen, welche zusätzliche Ladungsspeicherung durch organische und anorganische Oberflächenmodifikationen erreichen.
Materialtechnischer Ansatz: Karbid-abgeleitete Kohlenstoffe (CDCs)
Karbid-abgeleitete Kohlenstoffe (Carbide Derived Carbons: CDC) kommen in verschiedener Form in den ELDC- Systemen zum Einsatz, die in der Juniorforschungsgruppe entwickelt werden. CDC ist eine Materialfamilie, die aus verschiedenen binären Karbiden (z.B. SiC oder TiC), ternären Karbiden (z.B. Ti2AlC, Ti3SiC2), oder von pyrolysierten Polymeren abgeleitet werden können. Die letztere Gruppe von CDC-Prekursoren, gehört zu den polymer-abgeleiteten Keramiken (Polymer Derived Ceramics: PCD) und umfasst eine ganze Bandbreite an verschiedenen Zusammensetzungen (meist innerhalb der Systeme Ti-O-C-N und Si-O-C-N). Der große Vorteil von PDC-CDC ist die flexible Formgebung, welche poröse Monolithe, Schwämme oder Nanofasern ermöglicht. Die Juniorforschungsgruppe konzentriert sich dabei vor allem auf die Synthese von elektrogesponnenen CDC-Nanofasern, die, wie auch alle anderen CDCs, durch Halogenbehandlung erzeugt werden.
Die CDC- Familie umfasst viele Strukturen, die kristallin oder ganz amorph, sp2- oder sp3-hybridisiert, hochporös oder gänzlich ohne Poren vorkommen. Für die Juniorforschungsgruppe ist dabei die Möglichkeit, die Porosität poröser CDCs mit sub-Angström-Genauigkeit einzustellen, von besonderer Bedeutung. Dies geschieht über die Wahl des Prekursormaterials und der Synthesebedingungen (v.a. Temperatur). Das Ergebnis ist Designer-Kohlenstoff, welcher nicht nur für EES attraktiv ist, sondern auch für Gasspeicherung (H2, CO2, CH4), Entsalzung (desalination via capacitive deionization: CDI), oder selektive Sorption. Neben CDC setzt die Juniorforschungsgruppe aber auch andere Kohlenstoffnanomaterialien ein, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes: CNT) oder Kohlenstoffnanozwiebeln (Carbon Onions). Mit diesen lassen sich besonders leistungsfähige EDLC- Systeme entwickeln.