@phdthesis{Anneser2020,
  author    = {Anneser, Katrin},
  title     = {Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren zur Stabilisierung fluktuierender photovoltaischer Leistung},
  doi       = {10.25972/OPUS-19933},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-199339},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Der Ausbau der regenerativen Energiequellen f{\"u}hrt vermehrt zu unvorhersehbaren Schwankungen der erzeugten Leistung, da Windkraft und Photovoltaik von nat{\"u}rlichen Bedingungen abh{\"a}ngen. Gerade Kurzzeitfluktuationen im Sekunden- bis Minutenbereich, die bei Solarzellen durch die Verschattung von vor{\"u}berziehenden Wolken zustande kommen, wird bislang wenig Beachtung geschenkt. Kurzzeitspeicher m{\"u}ssen eine hohe Zyklenstabilit{\"a}t aufweisen, um zur Gl{\"a}ttung dieser Leistungsfluktuationen in Frage zu kommen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden elektrochemische Doppelschichtkondensatoren f{\"u}r die Kopplung mit Siliziumsolarzellen und organischen Solarmodulen mit Hilfe von Simulationen und Messungen untersucht. Zus{\"a}tzlich wurden grundlegende Fragestellungen zur Prozessierung und Alterung von Doppelschichtkondensatoren im Hinblick auf ein in der Literatur bereits diskutiertes System betrachtet, das beide Komponenten in einem Bauteil integriert - den sogenannten photocapacitor. Um die Druckbarkeit des gesamten elektrochemischen Doppelschichtkondensators zu erm{\"o}glichen, wurde der konventionell verwendete Fl{\"u}ssigelektrolyt durch einen Polymer-Gel-Elektrolyten auf Basis von Polyvinylalkohol und einer S{\"a}ure ersetzt. Durch eine Verbesserung der Prozessierung konnte ein gr{\"o}ßerer Anteil der spezifischen Fl{\"a}che der por{\"o}sen Kohlenstoffelektroden vom Elektrolyten benetzt und somit zur Speicherung genutzt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass mit Polymer-Gel-Elektrolyten {\"a}hnliche Kapazit{\"a}ten erreicht werden wie mit Fl{\"u}ssigelektrolyten. Im Hinblick auf die Anwendung im gekoppelten System muss der elektrochemische Doppelschichtkondensator den gleichen Umweltbedingungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchte standhalten wie die Solarzelle. Hierzu wurden umfangreiche Alterungstests durchgef{\"u}hrt und festgestellt, dass die Kapazit{\"a}t zwar bei Austrocknung des wasserhaltigen Polymer-Gel-Elektrolyten sinkt, bei einer Wiederbefeuchtung aber auch eine Regeneration des Speichers erfolgt. Zur passenden Auslegung des elektrochemischen Doppelschichtkondensators wurde eine detaillierte Analyse der Leistungsfluktuationen durchgef{\"u}hrt, die mit einem eigens entwickelten MPP-Messger{\"a}t an organischen Solarmodulen gemessen wurden. Anhand der Daten wurde analysiert, welche Energiemengen f{\"u}r welche Zeit im Kurzzeitspeicher zwischengespeichert werden m{\"u}ssen, um eine effiziente Gl{\"a}ttung der ins Netz einzuspeisenden Leistung zu erreichen. Aus der Statistik der Fluktuationen wurde eine Kapazit{\"a}t berechnet, die als Richtwert in die Simulationen einging und dann mit anderen Kapazit{\"a}ten verglichen wurde. Neben einem idealen MPP-Tracking f{\"u}r verschiedene Arten von Solarzellen und Beleuchtungsprofilen konnte die Simulation auch die Kopplung aus Solarzelle und elektrochemischem Doppelschichtkondensator mit zwei verschiedenen Betriebsstrategien nachbilden. Zum einen wurde ein fester Lastwiderstand genutzt, zum anderen eine Zielspannung f{\"u}r den Kurzzeitspeicher und somit auch die Solarzelle vorgegeben und der Lastwiderstand variabel so angepasst, dass die Zielspannung gehalten wird. Beide Betriebsmethoden haben einen Energieverlust gegen{\"u}ber der MPP-getrackten Solarzelle zu verzeichnen, f{\"u}hren aber zu einer Gl{\"a}ttung der Leistung des gekoppelten Systems. Die Simulation konnte f{\"u}r Siliziumsolarzellen mit einem Demonstratorversuch im Labor und f{\"u}r organische Solarzellen unter realen Bedingungen validiert werden. Insgesamt ergibt sich eine vielversprechende Gl{\"a}ttung der Leistungsfluktuationen von Solarzellen durch den Einsatz von elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren.},
  subject      = {Energie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Weber2015,
  author    = {Weber, Christian},
  title     = {Electrochemical Energy Storage: Carbon Xerogel-Manganese Oxide Composites as Supercapacitor Electrode Materials},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-130748},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Electrochemical double layer capacitors (EDLC), most commonly referred to as "supercapacitors", have gained increasing scientific and commercial interest in recent years. Purely electrostatic charge storage processes allow charge- and discharge cycles in the second-time scale, exhibiting a theoretical capacitance in the order of 100 F per gram of electrode material, thereby providing efficient recuperation devices for electromechanical processes, for example. Introducing electrochemically active materials such as manganese oxides into the supercapacitor electrode, allows to combine the double-layer storage with a battery-like storage process, leading to capacitance that can be up to two orders of magnitude larger than those in EDLC. In the present work, an electroless deposition approach of manganese oxide on a carbon scaffold is adapted and further investigated. The carbon material is derived from an organic xerogel, which in turn is prepared via a sol-gel process, allowing tailoring of the structural properties of the carbon, making it an ideal model system to study the relation between morphology and electrochemical performance in the carbon-manganese oxide hybrid electrode. In the first part of this thesis, a variation of manganese oxide deposition time at a low concentration of precursor solution is analyzed. Mass uptakes reach up to 58 wt.\%, leading to an increase of volumetric capacitance by a factor 5, however reducing the dynamic performance of the electrode. The structural characterization gives hints on the deposition location of the active material either in the intra-particular pores of the carbon backbone or on the enveloping surface area of the particles forming the backbone. In order to comprehensively answer the question of the location of the active material within the hybrid electrode, the particle size of the carbon backbone and therefore the enveloping surface area of the carbon particles was varied. For samples with high mass uptakes, scanning electron microscopy (SEM) images show a layer thickness of 27 nm of active material around the carbon particles. In order to quantitatively investigate this layer morphology, even for low mass uptakes where no layer is visible in SEM images, a model interpreting data from anomalous small angle X-ray scattering (ASAXS) measurements was developed. The results confirm the presence of a layer around the carbon particles, exhibiting a layer thickness ranging from 3 to 26 nm. From an electrochemical point of view, carbon backbones with a large enveloping surface area will lead to high mass uptakes in the electroless deposition process and therefore lead to high capacitance of the electrode. However, for future application, electrodeposition approaches should be investigated in detail, since no deposits will form on the interface between carbon backbone and current collector, leading to a better dynamic performance of the hybrid electrode. Furthermore, the ASAXS-method should be promoted and applied on other material systems, since this technique allows to draw important conclusions and allows to deduce integral and quantitative information towards a rational design of high performance electrodes.},
  subject      = {Superkondensator},
  language  = {en}
}