771314 20251027111046.0 HBZ HT020272320 Laufende Nummer 38655 datacite_doi 10.18154/RWTH-2019-10071 RWTH-2019-10071 English 621.3 P:(DE-588)1198938331 Teuber, Moritz 0 rwth Lifetime assessment and degradation mechanisms in electric double-layer capacitors Moritz Teuber online Aachen Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) 2019 1 Online-Ressource (xii, 150 Seiten) : Illustrationen, Diagramme 2 EndNote Thesis PUB:(DE-HGF)11 PUB:(DE-HGF) Dissertation / PhD Thesis phd phd PUB:(DE-HGF)3 PUB:(DE-HGF) Book book BibTeX PHDTHESIS DRIVER doctoralThesis DataCite Output Types/Dissertation ORCID DISSERTATION Aachener Beiträge des ISEA 129 Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019 Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 2019 Fak06 2019-06-28 Elektrische Doppelschichtkondensatoren sind Energiespeicher, welche im Rahmen der erneuerbaren Energien und auch der Elektrifizierung des Transportwesens eingesetzt werden. Diese basieren auf elektrostatischer Ladungstrennung und die Eigenschaften und möglichen Anwendungen werden aktiv erforscht und entwickelt, um die Energiewende zu unterstützen. Die hohen Kosten dieser Geräte erfordern es, dass ausgeklügelte Lebensdauerbewertungen entwickelt werden, um die Nutzungsdauer zu erhöhen und so die Lebenszykluskosten zu senken und die Anwendungsbereiche zu erweitern. Heutzutage wird das Lebensende meist durch einfach Daumenregeln beschrieben. Diese berücksichtigen allerdings nicht den asymmetrischen Einfluss der Temperatur und der Spannung, wie tiefgehende Untersuchungen gezeigt haben. Daher verfolgt diese Arbeit zwei Ziele: Das Entwickeln neuer Abhängigkeiten der Lebensdauer von den Betriebsbedingungen, welche die im Vorfeld beobachteten Effekte berücksichtigen und somit eine genauere Lebensdaueranalyse ermöglichen. Hier basiert die Arbeit auf bereits teilweise existierenden Testdaten und erarbeitet neue Abhängigkeiten von verschiedenen Betriebsbedingungen. Gleichungen, welche die Lebensdauer halbierenden Faktoren in Abhängigkeit der Randbedingungen beschreiben, werden abgeleitet und als allgemeinerer Ansatz zur Lebensdauerbestimmung genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperaturerhöhung von 7 K die Lebensdauer bei Normspannung halbiert, wohingegen dieser Wert auf 5 K absinkt, wenn die Spannung um maximal 300 mV erhöht wird. Ähnliche Abhängigkeiten werden für Spannung in Abhängigkeit der Temperatur gefunden. Weiterhin zielt diese Arbeit darauf ab, das grundlegende Verständnis über ablaufende Degradationsmechanismen zu erweitern. Die einerseits beobachtete Asymmetrie der reduzierten Energiespeicherung und der andererseits reduzierten Leistungsfähigkeit werden grundlegend verstanden. Diese Beobachtungen werden möglich durch den Aufbau eines neuen Versuches, welcher Lebensdauermessungen in Abhängigkeit der Zeit als Ergebnis hat. Dies ermöglicht die Korrelation von elektrischen Parametern während der Lebensdauer und elektrochemischen und physikalischen Parametern. Die letzteren werden durch Post-Mortem-Analysen gewonnen, welche unter anderem Mikroskopie, Einzelektroden-Impedanzspektroskopie, energiedispersive und klassische Röntgenbeugung, Raman-Spektroskopie und Thermogravimetrie beinhalten. Die Ergebnisse zeigen eindeutig unterschiedliche Degradationsmechanismen für die beiden Elektroden: die positive Elektrode zeigt Deckschichtbildung, wohingegen die negative Elektrode durch Delamination und Korrosion altert. Die neugebildete Deckschicht auf der positiven Elektrode wird insbesondere untersucht und charakterisiert. Diese besteht aus einem fluorhaltigen Polymer, welches auch als Polytetrafluoroethylen (PTFE) bekannt ist. Diese Schicht ist weiterhin bis zu einem gewissen Grad für Ionen durchlässig, reduziert allerdings deutlich die Leistungsfähigkeit. Die negative Elektrode andererseits zeigt Delamination aufgrund von Stromableiterkorrosion und Binderzersetzung. Diese Bildung von PTFE und Delamination sind die Hauptursachen für die Abnahme der Energiespeicherfähigkeit. Schlussfolgernd können bisher nicht verstandene Effekte erklärt werden. Erholungseffekte, welche während Pausen in Alterungstests beobachtet werden, werden durch die noch durchlässige Deckschicht bedingt. Dies erhöht die benötigte Zeit, um Energie zu speichern, deutlich. Der Prozess des Energiespeicherns an sich ist allerdings noch möglich. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass diese Arbeit die Gründe für die asymmetrische Degradation erklärt und neue Richtlinien für die Lebensdauerabschätzung von organisch-basierten elektrischen Doppelschichtkondensatoren liefert. Die Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung von maßgeschneiderten Elektroden, um die beobachten Effekte zu negieren und die möglichen Anwendungsfelder zu erweitern. Insbesondere könnte eine asymmetrische Elektrodenauslegung das Schlüsselelement für eine längere Lebensdauer sein. ger Electric double-layer capacitors are energy storage devices employed in renewable energy applications as well as electrification of transport. They are based on electrostatic charge separation and their properties and applications are actively researched and developed to help fostering the transition to an ecoconscious lifestyle. The high costs of these devices necessitate elaborate lifetime assessments to maximize the time of use and thus to lower life cycle costs and broaden their possible field of application. Today, the end-of-life is usually described by simple rules of thumb. This does not hold up the asymmetric influence of temperature and voltage as in-depth investigations showed. Therefore, this thesis follows two main goals: First, deduct novel dependencies of lifetime on operating conditions, which are in line with previous observations and allow for a more detailed analysis. Herein, the work relies on existing test data and elaborates on new lifetime linkages between different operating conditions. Equations for lifetime halving factors dependent on operating conditions are derived and serve as a more general approach for estimating lifetime. Results show, a temperature increase of 7 K at rated voltage halves the lifetime of a capacitor whereas this value drops to 5 K for an elevated voltage of 300 mV above nominal conditions. Similar relations are found for lifetime fade dependent on voltage and its correlation to elevated temperatures. Second, this thesis aims at broadening the basic knowledge of the deterioration mechanisms on the microscopic scale. Observed asymmetry of decreased energy storage capability on the one hand and decreased power capability on the other hand are understood in-depth. This investigation is enabled by a novel test setup for accelerated lifetime testing yielding time-dependent results. It allows the correlation of electrical performance parameters over lifetime to electrochemical and physical parameters. These are obtained during post-mortem examinations which include microscopy, single electrode impedance spectroscopy, energy dispersive and regular x-ray diffraction, Raman spectroscopy as well as thermos gravimetric analysis. The results clearly show differing degradation mechanisms for the two electrodes exhibiting a cover-layer formation on the positive electrode and delamination and corrosion on the negative electrode. Especially the newly formed layer on top of the positive electrode is extensively investigated and characterized. It consists of a fluorine containing polymer, also known as Polytetrafluoroethylene (PTFE). This layer is still permeable to ions to a certain extent but significantly decreases the power capability. The negative electrode on the other hand shows delamination due to current collector corrosion and binder decomposition. The formation of PTFE and delamination are the main driver for a fade in energy storage capability. Thus, previously not understood effects could be explained. Recovery phenomena observed during breaks in between aging tests, stem from the still permeable layer on the positive electrode. These phenomena significantly increase the time needed to store energy but still allow the storage process itself. Overall, this thesis explains the reason for the asymmetric deterioration and gives new guidelines for assessing the lifetime of organic based electric double-layer capacitors. The results enable the development of tailored electrodes to counter observed deterioration mechanisms and broaden their possible field of application. Especially an asymmetric electrode setup might prove key for countering the observed asymmetric aging. eng Dataset connected to Lobid/HBZ Germany aging cover layer formation double-layer capacitors lifetime prediction post-mortem analysis P:(DE-82)IDM01459 Sauer, Dirk Uwe 1 Thesis advisor rwth P:(DE-82)IDM00440 Korte-Kerzel, Sandra 2 Thesis advisor rwth http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314.pdf OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314_source.zip Restricted http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314.gif?subformat=icon icon OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314.jpg?subformat=icon-1440 icon-1440 OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314.jpg?subformat=icon-180 icon-180 OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314.jpg?subformat=icon-640 icon-640 OpenAccess http://publications.rwth-aachen.de/record/771314/files/771314.jpg?subformat=icon-700 icon-700 OpenAccess oai:publications.rwth-aachen.de:771314 dnbdelivery driver VDB open_access openaire I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-82)IDM01459 RWTH Aachen 1 RWTH I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-82)IDM00440 RWTH Aachen 2 RWTH 2019 StatID:(DE-HGF)0510 StatID OpenAccess I:(DE-82)618310_20140620 618310 Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik 0 I:(DE-82)614500_20201203 614500 Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe 1 FullTexts I:(DE-82)618310_20140620 UNRESTRICTED VDB book phd I:(DE-82)614500_20201203