DE102017204207A1 - Hybrid supercapacitor, method of making a hybrid supercapacitor and vehicle - Google Patents

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Mathias Widmaier
Elisabeth Buehler
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Superkondensator, der eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei die Anode ein Anodenmaterial umfasst, das ein erstes Aktivmaterial, bestehend aus Li4Ti5O12 und aktiviertem Kohlenstoff, enthält, und wobei ein Anteil an erstem Aktivmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenmaterials, 87,5 Masse% bis 96,5 Masse% beträgt, und wobei die Kathode ein Kathodenmaterial umfasst, das ein zweites Aktivmaterial, bestehend aus LiMn2O4 und aktiviertem Kohlenstoff, enthält, und wobei ein Anteil an zweitem Aktivmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenmaterials, 87,5 Masse% bis 96,5 Masse% 3beträgt.

Figure DE102017204207A1_0000
The present invention relates to a hybrid supercapacitor comprising an anode and a cathode, wherein the anode comprises an anode material containing a first active material consisting of Li 4 Ti 5 O 12 and activated carbon, and wherein a portion of first active material , based on the total weight of the anode material, is 87.5 mass% to 96.5 mass%, and wherein the cathode comprises a cathode material containing a second active material consisting of LiMn 2 O 4 and activated carbon, and a portion on second active material, based on the total weight of the cathode material, is 87.5 mass% to 96.5 mass% 3.
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Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybrid-Superkondensator mit hoher Energiedichte und guten Ladungsspeicherungseigenschaften und Freisetzungseigenschaften sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben als auch ein Fahrzeug, das einen Hybrid-Superkondensator umfasst.The present invention relates to a high energy density hybrid supercapacitor having good charge storage characteristics and release characteristics, and a method of manufacturing the same, as well as a vehicle comprising a hybrid supercapacitor.

Aus dem Stand der Technik sind Hybrid-Superkondensatoren in unterschiedlicher Ausführung bekannt, beispielsweise aus DE 102014220953 A1 . WO 2006/111079 A beschreibt ferner einen Hybrid-Superkondensator mit hoher Zykluslebensdauer und Energiedichte, der Lithiumionen interkalierende Verbindungen verwendet. Nachteilig an Hybrid-Superkondensatoren aus dem Stand der Technik ist, dass sie keine ausreichend guten Batterie- und auch Kondensatoreigenschaften in sich vereinen.From the prior art hybrid supercapacitors are known in different versions, for example DE 102014220953 A1 , WO 2006/111079 A further describes a hybrid supercapacitor with high cycle life and energy density using lithium ion intercalating compounds. A disadvantage of hybrid supercapacitors from the prior art is that they do not combine sufficiently good battery and capacitor properties.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Hybrid-Superkondensator gemäß dem Anspruch 1 zeichnet sich hingegen sowohl durch eine hohe Leistungsdichte als auch durch eine hohe Energiedichte und damit durch eine sehr gute Eigenschaft zur Bereitstellung und Speicherung von elektrischer Ladung aus. Hierbei wird unter einem Hybrid-Superkondensator eine kombinierte Superkondensator/Batterie oder Superkondensator/ Batteriezelle, verstanden, die sich durch synergistische Eigenschaften in der Leistungsdichte und Energiedichte auszeichnet.The hybrid supercapacitor according to the invention according to claim 1, however, distinguished both by a high power density and by a high energy density and thus by a very good property for providing and storing electrical charge. Here, a hybrid supercapacitor is understood to be a combined supercapacitor / battery or supercapacitor / battery cell, which is characterized by synergistic properties in terms of power density and energy density.

Der erfindungsgemäße Hybrid-Superkondensator umfasst zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode. Die Anode und die Kathode können als freistehende Elektroden erhalten werden oder aber, z.B. mittels eines Gieß- oder Formprozesses, auf entsprechenden Stromabnehmern angeordnet werden. Im Falle der Herstellung von freistehenden Elektroden können diese auch im Anschluss mit entsprechenden Stromabnehmern verpresst und somit mit Stromabnehmern verbunden werden.The hybrid supercapacitor according to the invention comprises two electrodes, an anode and a cathode. The anode and the cathode can be obtained as free-standing electrodes or, e.g. be arranged on corresponding pantographs by means of a casting or molding process. In the case of the production of free-standing electrodes, these can also be subsequently pressed together with corresponding current collectors and thus connected to current collectors.

Die Anode umfasst ein Anodenmaterial, das ein erstes Aktivmaterial enthält. Als erstes Aktivmaterial wird eine Mischung angesehen, die aus Li4Ti5O12 und aktiviertem Kohlenstoff, also Aktivkohlenstoff, besteht. Vorzugsweise besteht die Anode ausschließlich aus dem Anodenmaterial. Ein Anteil an erstem Aktivmaterial in der Anode beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenmaterials, erfindungsgemäß 87,5 Masse% bis 96,5 Masse%. Hierdurch wird ein hoher Anteil an erstem Aktivmaterial bereitgestellt, der eine hohe Energie- und Leistungsdichte des Hybrid-Superkondensators bedingt.The anode comprises an anode material containing a first active material. The first active material is considered to be a mixture consisting of Li 4 Ti 5 O 12 and activated carbon, ie activated carbon. Preferably, the anode consists exclusively of the anode material. A proportion of the first active material in the anode is, based on the total weight of the anode material, according to the invention 87.5% by mass to 96.5% by mass. As a result, a high proportion of first active material is provided, which requires a high energy and power density of the hybrid supercapacitor.

Erfindungsgemäß umfasst die Kathode ein Kathodenmaterial, das ein zweites Aktivmaterial, bestehend aus LiMn2O4 und aktiviertem Kohlenstoff, enthält. Vorzugsweise besteht die Kathode ausschließlich aus dem Kathodenmaterial. Ein Anteil an zweitem Aktivmaterial in der Kathode beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenmaterials, erfindungsgemäß ebenfalls 87,5 Masse% bis 96,5 Masse%. Somit ist die Kathode ebenso wie die Anode im Lichte des Anteils an erstem Aktivmaterial, durch einen sehr hohen Anteil an zweitem Aktivmaterial gekennzeichnet, wobei das zweite Aktivmaterial aus LiMn2O4 und aktiviertem Kohlenstoff besteht.According to the invention, the cathode comprises a cathode material containing a second active material consisting of LiMn 2 O 4 and activated carbon. Preferably, the cathode consists exclusively of the cathode material. A proportion of second active material in the cathode, based on the total weight of the cathode material, according to the invention also 87.5% by mass to 96.5% by mass. Thus, the cathode as well as the anode in the light of the proportion of first active material, characterized by a very high proportion of second active material, wherein the second active material consists of LiMn 2 O 4 and activated carbon.

Durch die hohen Anteile an erstem und zweitem Aktivmaterial in der entsprechenden Elektrode, zeichnet sich der erfindungsgemäße Hybrid-Superkondensator durch eine synergistisch hohe Energiedichte und Leistungsdichte aus. Die positive und negative Elektrode können hierbei gleich hohe Ladungsmengen speichern, wobei sehr gute Ladungsfreisetzungs- und Ladungsspeicherungseigenschaften erzielt werden. Dies ist unter Anderem auch auf die hohen, und insbesondere gleich hohen, Anteile an erstem und zweitem Aktivmaterial in der entsprechenden Elektrode zurückzuführen.Due to the high proportions of first and second active material in the corresponding electrode, the hybrid supercapacitor according to the invention is characterized by a synergistically high energy density and power density. The positive and negative electrodes can store the same amount of charge, with very good charge release and charge storage properties are achieved. This is due among other things to the high, and in particular equal, proportions of first and second active material in the corresponding electrode.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung, beträgt ein Anteil an Li4Ti5O12 im ersten Aktivmaterial 34 bis 54 Masse%, insbesondere 39 bis 49 Masse%, und insbesondere 41 bis 47 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Aktivmaterials. Hierdurch kann die Energiedichte des Hybrid-Superkondensators auf Werte von über 60 Wh/kg weiter verbessert werden. Ferner kann auch die Leistungsdichte gesteigert werden, nämlich auf Werte von mindestens 50 kW/kg.According to an advantageous development, a proportion of Li 4 Ti 5 O 12 in the first active material is 34 to 54% by mass, in particular 39 to 49% by mass, and in particular 41 to 47% by mass, based on the total weight of the first active material. As a result, the energy density of the hybrid supercapacitor can be further improved to values of more than 60 Wh / kg. Furthermore, the power density can be increased, namely to values of at least 50 kW / kg.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an LiMn2O4 im zweiten Aktivmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten Aktivmaterials, 25 bis 45 Masse%, insbesondere 30 bis 40 Masse%, und insbesondere 32 bis 38 Masse%, beträgt. Überraschend wurde gefunden, dass Anteile an LiMn2O4 von über 30 Masse% und insbesondere von über 40 Masse% oder sogar von über 45 Masse%, trotz hohem Anteil an Aktivmaterial, einen gegenteiligen Effekt in Bezug auf die Leistungsdichte des Hybrid-Superkondensators bewirken, nämlich eine Reduktion der Leistungsdichte. Durch Einhalten der beanspruchten Bereiche kann die Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Hybrid-Superkondensators maximiert werden.A further advantageous development is characterized in that a proportion of LiMn 2 O 4 in the second active material, based on the total weight of the second active material, 25 to 45% by mass, in particular 30 to 40% by mass, and in particular 32 to 38% by mass. Surprisingly, it has been found that proportions of LiMn 2 O 4 of more than 30 mass% and in particular of more than 40 mass% or even more than 45 mass%, despite a high proportion of active material, cause an opposite effect in terms of power density of the hybrid supercapacitor namely, a reduction in power density. By maintaining the claimed ranges, the power density of the hybrid supercapacitor of the present invention can be maximized.

Zur Verbesserung der Ladungstransporteigenschaften in den Elektroden, enthält das Anodenmaterial und/oder das Kathodenmaterial vorteilhafterweise mindestens ein elektrisch leitfähiges Additiv. Besonders vorteilhaft aufgrund der guten Verfügbarkeit zu moderaten Preisen, wird Ruß als elektrisch leitfähiges Additiv verwendet.To improve the charge transport properties in the electrodes, the anode material and / or the cathode material advantageously contains at least one electrically conductive additive. Particularly advantageous due to the good availability at moderate prices, carbon black is used as an electrically conductive additive.

Vorzugsweise ist ein Anteil an elektrisch leitfähigem Additiv im Anodenmaterial bzw. im Kathodenmaterial möglichst gering, da es im Wesentlichen nicht zur Erhöhung der Leistungsdichte bzw. der Energiedichte des Hybrid-Superkondensators beiträgt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt somit ein Anteil an elektrisch leitfähigem Additiv im Anodenmaterial und/oder im Kathodenmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des entsprechenden Elektrodenmaterials, 2,5 bis 7,5 Masse% und insbesondere 5 Masse%.Preferably, a proportion of electrically conductive additive in the anode material or in the cathode material is as low as possible, since it essentially does not contribute to increasing the power density or the energy density of the hybrid supercapacitor. According to an advantageous development, therefore, a proportion of electrically conductive additive in the anode material and / or in the cathode material, based on the total weight of the corresponding electrode material, 2.5 to 7.5% by weight and in particular 5% by mass.

Um eine Verbesserung der Struktur der Elektrodenmaterialien zu erzielen, ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass das Anodenmaterial und/oder das Kathodenmaterial mindestens ein Bindemittel, insbesondere ein polymeres Bindemittel, wie z.B. Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere, enthält. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethylen und Polyvinylidenfluorid.In order to achieve an improvement in the structure of the electrode materials, it is furthermore advantageously provided that the anode material and / or the cathode material comprise at least one binder, in particular a polymeric binder, such as e.g. Cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride.

Um die Energiedichte sowie die Leistungsdichte des Hybrid-Superkondensators weiter zu optimieren, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass ein Anteil an Bindemittel im Anodenmaterial bzw. im Kathodenmaterial möglichst gering ist, also 1 bis 7 Masse% und insbesondere 5 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des entsprechenden Elektrodenmaterials, beträgt.In order to further optimize the energy density and the power density of the hybrid supercapacitor, it is provided according to a further advantageous development that a proportion of binder in the anode material or in the cathode material is as low as possible, ie 1 to 7% by weight and especially 5% by weight on the total weight of the corresponding electrode material.

Eine weitere Verbesserung des Ladungstransports innerhalb des Hybrid-Superkondensators kann vorteilhaft dadurch verbessert werden, dass ein Porenvolumen des aktivierten Kohlenstoffes 0,7 bis 1 ml/g beträgt, wobei das Porenvolumen mittels eines BET-Messverfahrens ermittelt wird. Eine spezifische Oberfläche des aktivierten Kohlenstoffes beträgt vorzugsweise mehr als 1000 m2/g, wobei die spezifische Oberfläche ebenfalls mittels eines BET-Messverfahrens bestimmt wird. Geeignete aktivierte Kohlenstoffe sind in der Literatur beschrieben (siehe hierzu Journal of the electrochemical society, 163 (14) A2956-A2964 (2016).A further improvement of the charge transport within the hybrid supercapacitor can advantageously be improved in that a pore volume of the activated carbon is 0.7 to 1 ml / g, the pore volume being determined by means of a BET measurement method. A specific surface area of the activated carbon is preferably more than 1000 m 2 / g, the specific surface also being determined by means of a BET measuring method. Suitable activated carbons are described in the literature (see Journal of the electrochemical society, 163 (14) A2956-A2964 (2016).

Um die positiven Eigenschaften des Hybrid-Superkondensators auch über eine lange Laufzeit zu erhalten, ist es ferner vorteilhaft, wenn ein Masseverhältnis von Anode zu Kathode 0,5 bis 0,9, insbesondere 0,5 bis 0,7 und insbesondere 0,6, beträgt. Sofern die Anode und die Kathode ein Trägermaterial umfassen, ist dieses in die Bestimmung des Masseverhältnisses nicht mit einzubeziehen.In order to obtain the positive properties of the hybrid supercapacitor over a long period of time, it is furthermore advantageous if a mass ratio of anode to cathode 0.5 to 0.9, in particular 0.5 to 0.7 and in particular 0.6, is. If the anode and the cathode comprise a carrier material, this is not to be included in the determination of the mass ratio.

Aus vorstehend genanntem Grund ist es ebenfalls von Vorteil, wenn eine Schichtdicke der Anode 30 bis 100 µm beträgt und/oder eine Schichtdicke der Kathode 70 bis 200 µm beträgt.For the above-mentioned reason, it is likewise advantageous if a layer thickness of the anode is 30 to 100 μm and / or a layer thickness of the cathode is 70 to 200 μm.

Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Hybrid-Superkondensators beschrieben. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Herstellens einer Anode sowie einen Schritt des Herstellens einer Kathode.Also according to the invention, a method for producing a hybrid supercapacitor as described above is also described. The method includes a step of making an anode and a step of making a cathode.

Die Anode wird hergestellt, indem eine Anodendispersion, die ein elektrisch leitfähiges Additiv, insbesondere Ruß, eine wässrigen Dispersion eines Bindemittels, insbesondere eines polymeren Bindemittels, ggf. ein Lösungsmittel und ein erstes Aktivmaterial, das aus Li4Ti5O12 und aktiviertem Kohlenstoff besteht, homogenisiert wird. Nach erfolgter Homogenisierung wird die Anodendispersion vergossen und anschließend getrocknet. Das Trocknen kann unter Wärmezufuhr erfolgen, wird aber vorzugsweise bei Raumtemperatur, also etwa 25 °C, ausgeführt. Ein Anteil an erstem Aktivmaterial, bezogen auf die Gesamtmasse der getrockneten Anodendispersion, beträgt hierbei 87,5 Masse% bis 96,5 Masse%.The anode is prepared by an anode dispersion, which is an electrically conductive additive, in particular carbon black, an aqueous dispersion of a binder, in particular a polymeric binder, optionally a solvent and a first active material, which consists of Li 4 Ti 5 O 12 and activated carbon , is homogenized. After homogenization, the anode dispersion is poured and then dried. The drying can be carried out with heat, but is preferably carried out at room temperature, ie about 25 ° C. A proportion of the first active material, based on the total mass of the dried anode dispersion, is 87.5% by mass to 96.5% by mass.

In analoger Weise wird die Kathode hergestellt. Zunächst wird somit eine Kathodendispersion, die ein elektrisch leitfähiges Additiv, insbesondere Ruß, eine wässrigen Dispersion eines Bindemittels, insbesondere eines polymeren Bindemittels, ggf. ein Lösungsmittel und ein zweites Aktivmaterial, bestehend aus LiMn2O4 und aktiviertem Kohlenstoff, umfasst, homogenisiert, anschließend vergossen und ebenfalls vorzugsweise bei Raumtemperatur getrocknet. Ein Anteil an zweitem Aktivmaterial, bezogen auf die Gesamtmasse der getrockneten Kathodendispersion, beträgt 87,5 Masse% bis 96,5 Masse%.In an analogous manner, the cathode is produced. First of all, a cathode dispersion which comprises an electrically conductive additive, in particular carbon black, an aqueous dispersion of a binder, in particular a polymeric binder, optionally a solvent and a second active material consisting of LiMn 2 O 4 and activated carbon, is homogenized, then potted and also preferably at Room temperature dried. A proportion of second active material, based on the total mass of the dried cathode dispersion, is 87.5% by mass to 96.5% by mass.

Ein Anteil an Bindemittel beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Dispersion des Bindemittels, insbesondere 50 bis 70 Masse% und insbesondere 60 Masse%.A proportion of binder, based on the total weight of the aqueous dispersion of the binder, in particular 50 to 70 mass% and in particular 60 mass%.

Eine beispielhafte Zusammensetzung einer Kathodendispersion ist nachstehend angegeben:An exemplary composition of a cathode dispersion is given below:

2,475 g LiMn2O4 (AC YP80F der Firma Kuraray aus dem Jahre 2015), 4,596 g elektrisch leitfähiges Additiv (C-Nergy C65 der Firma Imerys Graphite and Carbon aus dem Jahre 2015), 0,404 g Ruß, 19,078 g Lösungsmittel (Isopropanol) und 1,010 g einer wässrigen Dispersion mit 60 Masse% PTFE. Hieraus ergibt sich nach dem Trocknen eine trockene Elektrodenmasse von 8,485 g.2.475 g LiMn 2 O 4 (AC YP80F from Kuraray from 2015), 4.596 g electrically conductive additive (C-Nergy C65 from Imerys Graphite and Carbon from 2015), 0.404 g carbon black, 19.078 g solvent (isopropanol) and 1.010 g of a 60 mass% aqueous dispersion of PTFE. This results in a dry electrode mass of 8.485 g after drying.

Eine beispielhafte Zusammensetzung einer Anodendispersion ist nachstehend angegeben:An exemplary composition of an anode dispersion is given below:

1,848 g Li4Ti5O12 (AC YP80F der Firma Kuraray aus dem Jahre 2015), 2,352 g elektrisch leitfähiges Additiv (C-Nergy C65 der Firma Imerys Graphite and Carbon aus dem Jahre 2015), 0,242 g Ruß, 12,171 g Lösungsmittel (Isopropanol) und 0,606 g einer wässrigen Dispersion mit 60 Masse% PTFE. 1.848 g Li 4 Ti 5 O 12 (AC YP80F from Kuraray of 2015), 2.352 g electrically conductive additive (C-Nergy C65 from Imerys Graphite and Carbon from 2015), 0.242 g carbon black, 12.171 g solvent ( Isopropanol) and 0.606 g of an aqueous dispersion containing 60% by mass of PTFE.

Hieraus ergibt sich nach dem Trocknen eine trockene Elektrodenmasse von 5,091 g.This results in a dry electrode mass of 5.091 g after drying.

Die Zusammensetzungen der Elektrodendispersionen sowie der final erhaltenen Elektroden ist mittels Massenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) oder Röntgenbeugung (XRD) oder elektrochemischer Charakterisierung mittels Cyclovoltammetrie nachweisbar.The compositions of the electrode dispersions and the finally obtained electrodes can be detected by means of mass spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) or X-ray diffraction (XRD) or electrochemical characterization by cyclic voltammetry.

Das Verfahren ist einfach, unter Kombination von herkömmlichen, leicht umsetzbaren Verfahrensschritten ausführbar und ermöglicht die Herstellung eines Hybrid-Superkondensators mit hoher Leistungsdichte und hoher Energiedichte.The process is simple, with the combination of conventional, easily implementable process steps executable and allows the production of a hybrid supercapacitor with high power density and high energy density.

Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Fahrzeug, das insbesondere als Kraftfahrzeug ausgebildet ist, beschrieben. Das Fahrzeug umfasst eine erste Spannungsversorgungseinheit und eine zweite Spannungsversorgungseinheit, wobei die zweite Spannungsversorgungseinheit durch einen wie vorstehend beschriebenen Hybrid-Superkondensator gebildet ist. Durch die zweite Spannungsversorgungseinheit, die durch den erfindungsgemäßen Hybrid-Superkondensator gebildet ist, kann im Bedarfsfall schnell und zuverlässig eine hohe Energiemenge bereitgestellt werden, beispielsweise falls die Leistung der ersten Spannungsversorgungseinheit einbricht o.ä.Further, according to the invention, a vehicle, which is designed in particular as a motor vehicle, is described. The vehicle comprises a first voltage supply unit and a second voltage supply unit, wherein the second voltage supply unit is formed by a hybrid supercapacitor as described above. By the second power supply unit, which is formed by the hybrid supercapacitor according to the invention, if necessary, a high amount of energy can be provided quickly and reliably, for example, if the power of the first power supply unit breaks down or the like.

Vorteilhaft ist demnach auch vorgesehen, dass das Fahrzeug ferner eine Steuereinheit umfasst, die eingerichtet ist, den Hybrid-Superkondensator im Fall eines zusätzlichen Bedarfs an Energie zu aktivieren. Somit steht im Bedarfsfall immer eine ausreichende Menge an Energie für entsprechende Manöver des Fahrzeugs zur Verfügung. Auch eignet sich diese Weiterbildung für sogenannte Boost-Rekuperationssysteme.Advantageously, it is accordingly also provided that the vehicle further comprises a control unit which is set up to activate the hybrid supercapacitor in the event of an additional need for energy. Thus, if necessary, a sufficient amount of energy is always available for corresponding maneuvers of the vehicle. This development is also suitable for so-called boost recuperation systems.

Die für den erfindungsgemäßen Hybrid-Superkondensator beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Eigenschaften finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Fahrzeug.The advantages, advantageous effects and properties described for the hybrid supercapacitor according to the invention are also applicable to the method according to the invention and the vehicle according to the invention.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

  • 1 ein Diagramm, in dem die Energiedichte gegen die durchschnittliche Leistungsdichte aufgetragen ist.
Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
  • 1 a diagram in which the energy density is plotted against the average power density.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

Aus nachfolgenden Zusammensetzungen wurden je eine erfindungsgemäße Anode und eine erfindungsgemäße Kathode hergestellt, indem die entsprechenden Zusammensetzungen homogenisiert und anschließend kalandriert bzw. ausgerollt wurden, wobei eine Schichtdicke der Anode 100 µm und eine Schichtdicke der Kathode 200 µm betrug. Kathode Menge in [g] Anode Menge in [g] LiMn2O4 2,475 Li4Ti5O12 3,110 AC YP80F 4,596 AC YP80F 3,960 C65 0,404 C65 0,404 PTFE, 60Masse% in Wasser 0,606 PTFE, 60Masse% in Wasser 0,606 Isopropanol 19,078 Isopropanol 19,078 Trockengewi cht der Kathode 8,081 Trockengewich t der Anode 8,081 Schichtdicke 200 µm Schichtdicke 100 µm From the following compositions, an anode according to the invention and a cathode according to the invention were each prepared by homogenizing the corresponding compositions and then calendering or rolling them out, with a layer thickness of the anode 100 μm and a layer thickness of the cathode 200 μm. cathode Amount in [g] anode Amount in [g] LiMn 2 O 4 2,475 Li 4 Ti 5 O 12 3,110 AC YP80F 4,596 AC YP80F 3,960 C65 0.404 C65 0.404 PTFE, 60 mass% in water 0.606 PTFE, 60 mass% in water 0.606 isopropanol 19.078 isopropanol 19.078 Dry weight of the cathode 8,081 Dry weight of the anode 8,081 layer thickness 200 μm layer thickness 100 μm

Unter Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Anode und Kathode wurde die durchschnittliche Leistungsdichte in Abhängigkeit der Energiedichte bestimmt. Die entsprechende Kurve C ist in 1 dargestellt.Using the anode and cathode produced according to the invention, the average power density was determined as a function of the energy density. The corresponding curve C is in 1 shown.

In analoger Weise wurden eine erste Vergleichskathode und eine erste Vergleichsanode mit folgenden Zusammensetzungen hergestellt, wobei der Anteil an Li4Ti5O12 24 Masse% betrug: Kathode Menge in [g] Anode Menge in [g] LiMn2O4 2,475 Li4Ti5O12 1,697 AC YP80F 4,596 AC YP80F 5,374 C65 0,404 C65 0,404 PTFE, 60Masse% in Wasser 0,606 PTFE, 60Masse% in Wasser 0,606 Isopropanol 19,078 Isopropanol 19,078 Trockengewicht der Kathode 8,081 Trockengew icht der Anode 8,081 Schichtdicke 200 µm Schichtdicke 100 µm In an analogous manner, a first comparative cathode and a first comparative anode were prepared with the following compositions, wherein the proportion of Li 4 Ti 5 O 12 was 24% by mass: cathode Amount in [g] anode Amount in [g] LiMn 2 O 4 2,475 Li 4 Ti 5 O 12 1,697 AC YP80F 4,596 AC YP80F 5,374 C65 0.404 C65 0.404 PTFE, 60 mass% in water 0.606 PTFE, 60 mass% in water 0.606 isopropanol 19.078 isopropanol 19.078 Dry weight of the cathode 8,081 Dry weight of the anode 8,081 layer thickness 200 μm layer thickness 100 μm

In analoger Weise wurden eine zweite Vergleichskathode und eine zweite Vergleichsanode mit folgenden Zusammensetzungen hergestellt, wobei der Anteil an Li4Ti5O12 19 Masse% betrug: Kathode Menge in [g] Anode Menge in [g] LiMn2O4 2,475 Li4Ti5O12 1,343 AC YP80F 4,596 AC YP80F 5,728 C65 0,404 C65 0,404 PTFE, 60Masse% in Wasser 0,606 PTFE, 60Masse% in Wasser 0,606 Isopropanol 19,078 Isopropanol 19,078 Trockengewicht der Kathode 8,081 Trockengew icht der Anode 8,081 Schichtdicke 200 µm Schichtdicke 100 µm In an analogous manner, a second comparative cathode and a second comparative anode were prepared with the following compositions, wherein the proportion of Li 4 Ti 5 O 12 was 19% by mass: cathode Amount in [g] anode Amount in [g] LiMn 2 O 4 2,475 Li 4 Ti 5 O 12 1,343 AC YP80F 4,596 AC YP80F 5,728 C65 0.404 C65 0.404 PTFE, 60 mass% in water 0.606 PTFE, 60 mass% in water 0.606 isopropanol 19.078 isopropanol 19.078 Dry weight of the cathode 8,081 Dry weight of the anode 8,081 layer thickness 200 μm layer thickness 100 μm

Die Vergleichsanoden und Vergleichskathoden wurden analog der erfindungsgemäßen Kathode und der erfindungsgemäßen Anode vermessen und ihre durchschnittliche Leistungsdichte in Abhängigkeit der Energiedichte bestimmt (für die erste Vergleichsanode/Vergleichskathode siehe Kurve B in 1; für die zweite Vergleichsanode/Vergleichskathode siehe Kurve A in 1).The comparative anodes and comparison cathodes were measured analogously to the cathode according to the invention and the anode according to the invention and their average power density was determined as a function of the energy density (for the first comparison anode / comparison cathode see curve B in FIG 1 ; for the second comparison anode / comparison cathode see curve A in 1 ).

Aus 1 ist deutlich ersichtlich, dass der erhöhte Anteil an Aktivmaterial zu einer gesteigerten Energiedichte bei sehr guter Leistungsdichte führt.Out 1 It can be clearly seen that the increased amount of active material leads to an increased energy density with very good power density.

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Claims (13)

Hybrid-Superkondensator, umfassend eine Anode und eine Kathode, wobei - die Anode ein Anodenmaterial umfasst, das ein erstes Aktivmaterial, bestehend aus Li4Ti5O12 und aktiviertem Kohlenstoff, enthält, und wobei ein Anteil an erstem Aktivmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenmaterials, 87,5 Masse% bis 96,5 Masse% beträgt, und wobei - die Kathode ein Kathodenmaterial umfasst, das ein zweites Aktivmaterial, bestehend aus LiMn2O4 und aktiviertem Kohlenstoff, enthält, und wobei ein Anteil an zweitem Aktivmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenmaterials, 87,5 Masse% bis 96,5 Masse% beträgt.A hybrid supercapacitor comprising an anode and a cathode, wherein - the anode comprises an anode material containing a first active material consisting of Li 4 Ti 5 O 12 and activated carbon, and wherein a portion of the first active material, based on the total weight of the anode material is 87.5% by mass to 96.5% by mass, and wherein - the cathode comprises a cathode material containing a second active material consisting of LiMn 2 O 4 and activated carbon, and wherein a portion of second active material, based on the total weight of the cathode material, 87.5 mass% to 96.5 mass%. Hybrid-Superkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an Li4Ti5O12 im ersten Aktivmaterial 34 bis 54 Masse%, insbesondere 39 bis 49 Masse%, und insbesondere 41 bis 47 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Aktivmaterials, beträgt.Hybrid supercapacitor after Claim 1 , characterized in that a proportion of Li 4 Ti 5 O 12 in the first active material is 34 to 54% by weight, in particular 39 to 49% by weight, and in particular 41 to 47% by weight, based on the total weight of the first active material. Hybrid-Superkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an LiMn2O4 im zweiten Aktivmaterial 25 bis 45 Masse%, insbesondere 30 bis 40 Masse%, und insbesondere 32 bis 38 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten Aktivmaterials, beträgt.Hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, characterized in that a proportion of LiMn 2 O 4 in the second active material 25 to 45 mass%, in particular 30 to 40 mass%, and in particular 32 to 38 mass%, based on the total weight of the second Active material. Hybrid-Superkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmaterial und/oder das Kathodenmaterial mindestens ein elektrisch leitfähiges Additiv, insbesondere Ruß, enthält.Hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the anode material and / or the cathode material contains at least one electrically conductive additive, in particular carbon black. Hybrid-Superkondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an elektrisch leitfähigem Additiv im Anodenmaterial 2,5 bis 7,5 Masse%, insbesondere 5 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenmaterials, beträgt und/oder dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an elektrisch leitfähigem Additiv im Kathodenmaterial 2,5 bis 7,5 Masse%, insbesondere 5 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenmaterials, beträgt.Hybrid supercapacitor after Claim 4 , characterized in that a proportion of electrically conductive additive in the anode material is 2.5 to 7.5% by mass, in particular 5% by mass, based on the total weight of the anode material, and / or characterized in that a proportion of electrically conductive additive in Cathode material 2.5 to 7.5% by weight, in particular 5% by weight, based on the total weight of the cathode material is. Hybrid-Superkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmaterial und/oder das Kathodenmaterial mindestens ein Bindemittel, insbesondere PTFE, enthält.Hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, characterized in that the anode material and / or the cathode material contains at least one binder, in particular PTFE. Hybrid-Superkondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an Bindemittel im Anodenmaterial 1 bis 5 Masse%, insbesondere 3 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenmaterials, beträgt und/oder dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an Bindemittel im Kathodenmaterial 1 bis 5 Masse%, insbesondere 3 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenmaterials, beträgt.Hybrid supercapacitor after Claim 6 , characterized in that a proportion of binder in the anode material is 1 to 5 mass%, in particular 3 mass%, based on the total weight of the anode material, and / or characterized in that a proportion of binder in the cathode material 1 to 5 mass%, in particular 3 mass%, based on the total weight of the cathode material is. Hybrid-Superkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Porenvolumen des aktivierten Kohlenstoffes 0,7 bis 1 ml/g beträgt.Hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, characterized in that a pore volume of the activated carbon is 0.7 to 1 ml / g. Hybrid-Superkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Masseverhältnis von Anode zu Kathode 0,5 bis 0,9, insbesondere 0,5 bis 0,7 und insbesondere 0,6, beträgt.Hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, characterized in that a mass ratio of anode to cathode 0.5 to 0.9, in particular 0.5 to 0.7 and in particular 0.6, is. Hybrid-Superkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Anode 30 bis 100 µm beträgt und/oder dass eine Schichtdicke der Kathode 70 bis 200 µm beträgt.Hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, characterized in that a layer thickness of the anode is 30 to 100 microns and / or that a layer thickness of the cathode is 70 to 200 microns. Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Superkondensators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Herstellen einer Anode durch Homogenisieren einer Anodendispersion umfassend ein elektrisch leitfähiges Additiv, insbesondere Ruß, eine wässrigen Dispersion eines Bindemittels, insbesondere ein polymeres Bindemittel, ggf. ein Lösungsmittel und ein erstes Aktivmaterial bestehend aus Li4Ti5O12 und aktiviertem Kohlenstoff, Vergießen der Anodendispersion und Trocknen der Anodendispersion, wobei ein Anteil an erstem Aktivmaterial, bezogen auf die Gesamtmasse der getrockneten Anodendispersion, 87,5 Masse% bis 96,5 Masse% beträgt; - Herstellen einer Kathode durch Homogenisieren einer Kathodendispersion umfassend ein elektrisch leitfähiges Additiv, insbesondere Ruß, eine wässrigen Dispersion eines Bindemittels, insbesondere PTFE, ggf. ein Lösungsmittel und ein zweites Aktivmaterial bestehend aus LiMn2O4 und aktiviertem Kohlenstoff, Vergießen der Kathodendispersion und Trocknen der Kathodendispersion, wobei ein Anteil an zweitem Aktivmaterial, bezogen auf die Gesamtmasse der getrockneten Kathodendispersion, 87,5 Masse% bis 96,5 Masse% beträgt.A method for producing a hybrid supercapacitor according to one of the preceding claims, comprising the steps of: preparing an anode by homogenizing an anode dispersion comprising an electrically conductive additive, in particular carbon black, an aqueous dispersion of a binder, in particular a polymeric binder, optionally a solvent and a first active material consisting of Li 4 Ti 5 O 12 and activated carbon, casting the anode dispersion and drying the anode dispersion, wherein a portion of the first active material, based on the total mass of the dried anode dispersion, 87.5 mass% to 96.5 mass% is ; Producing a cathode by homogenizing a cathode dispersion comprising an electrically conductive additive, in particular carbon black, an aqueous dispersion of a binder, in particular PTFE, optionally a solvent and a second active material consisting of LiMn 2 O 4 and activated carbon, casting the cathode dispersion and drying the Cathodic dispersion, wherein a proportion of second active material, based on the total mass of the dried cathode dispersion, 87.5% by mass to 96.5% by mass. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine erste Spannungsversorgungseinheit und eine zweite Spannungsversorgungseinheit, wobei die zweite Spannungsversorgungseinheit durch einen Hybrid-Superkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gebildet ist. Vehicle, in particular motor vehicle, comprising a first voltage supply unit and a second voltage supply unit, wherein the second voltage supply unit by a hybrid supercapacitor according to one of Claims 1 to 10 is formed. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, den Hybrid-Superkondensator im Fall eines zusätzlichen Bedarfs an Energie zu aktivieren.Vehicle, in particular motor vehicle after Claim 12 , further comprising a control unit configured to activate the hybrid supercapacitor in case of an additional demand for power.
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