Einfluss von Aktivatoren auf Grafitierung von nachhaltigen Biomassematerialien identifiziert
Grafit ist derzeit das Material der Wahl Für Anoden von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Sowohl natürlicher als auch synthetischer Grafit werden kommerziell genutzt, doch gibt es bei der Herstellung beider Arten zunehmend Umweltprobleme und Versorgungsengpässe. Ein mögliches, nachhaltiges Vorläufermaterial für die Herstellung von synthetischem Grafit ist das Biomasseprodukt Kaffeesatz. Allerdings müssen Biomasse-Materialien mit Hilfe eines Additivs oder Aktivators grafitiert werden, um eine wettbewerbsfähige Leistung in Batteriezellen zu erzielen. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU), der Universität Sevilla sowie des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich hat nun systematisch untersucht, welchen Einfluss der Aktivator Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat auf den "katalytischen" Grafitierungsprozess von Kaffeesatz hat.
Entwicklung nachhaltiger synthetischer Grafit-Anodenmaterialien
Die Wissenschaftler*innen untersuchten systematisch die Grafitierung von Kaffeesatz mit unterschiedliche Mengen des Aktivators Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat und variierten dabei den Temperaturbereich von 1.000 Grad Celsius bis 2.400 Grad Celsius. "Auf diese Weise konnten wir besonderes Augenmerk darauflegen, wie die Synthesebedingungen, zum Beispiel die Temperatur und der Masseanteil an Eisen, mit der elektrochemischen Leistung als Anodenmaterial in den Batteriezellen korrelieren", erklärt MEET Forscherin Vanessa Hanhart. Die strukturelle Charakterisierung zeigte, dass ein Masseanteil von 20 Prozent des Gewichts an Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat in Kombination mit einer erhöhten Temperatur von bis zu 2.000 Grad Celsius die Grafitierung von Kaffeesatz begünstigt.
MEET Wissenschaftler Lars Frankenstein ordnet die Ergebnisse der Studie ein: "Zum ersten Mal wurde ein Sättigungspunkt für den Grafitierungsgrad bei der Verwendung von Eisenchlorid als Aktivator und Kaffeesatz gefunden. Grund dafür ist die Flüchtigkeit der Eisenquelle selbst. Daher sind weitere Untersuchungen zu verschiedenen eisenbasierten Quellen erforderlich, um die Grafitierungseffizienz von Biomassematerialien zu verbessern." Der Sättigungspunkt wurde erreicht, wenn der Aktivator 40 Prozent des Gesamtgewichts ausmachte und bei 2.000 Grad Celsius wärmebehandelt wurde. Die Ergebnisse des Forschungsteams bilden eine wichtige Grundlage für weitere Studien und liefern wichtige Einblicke in die Auswirkungen der Synthesebedingungen.
Studie in ChemElectroChem veröffentlicht
Autor*innen der Studie sind die Forschenden Vanessa Hanhart, Lars Frankenstein, Dr. Vassilios Siozios, Dr. Aurora Gomez‑Martin und Dr. Tobias Placke, MEET Batterieforschungszentrum, Prof. Dr. Joaquin Ramirez-Rico, Departamento Física de la Materia Condensada and Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, Universidad de Sevilla, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster. Die gesamte Studie wurde im Fachmagazin "ChemElectroChem" veröffentlicht.