Elektrochemische Energiespeicher sind entscheidend für eine zuverlässige Energieversorgung angesichts steigender Nachfrage und knapper Ressourcen. Die fortlaufende Entwicklung möglichst umweltfreundlicher Materialien mit guter Verfügbarkeit ist essenziell für die Verbesserung von deren Leistungsfähigkeit. Ziel der Arbeit war die Nutzung cellulosebasierter Präkursoren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien für die elektrochemischen Energiespeicher Superkondensator und Li-Ionen-Batterie. Dabei werden die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Präkursormaterial und Kohlenstoff, sowie deren Einfluss auf die resultierenden elektrochemischen Leistungen untersucht.
Mittels Acetatverfahren können sphärische Partikel auf Basis von Cellulose mit einer Partikelgröße < 5 µm und enger Partikelgrößenverteilung hergestellt werden. Bei der Herstellung sphärischer Partikel aus Celluloseacetat werden eine Vielzahl verschiedener Parameter im Herstellungsprozess variiert und deren Einfluss auf die Eigenschaften der sphärischen Partikel verändert. Außerdem werden die Cellulosederivate Celluloseacetat-butyrat und Celluloseacetat-phthalat als Ausgangsmaterial zur Herstellung sphärischer Partikel verwendet.
Die hergestellten sphärischen Partikel werden mittels Pyrolyse zu Kohlenstoff umgewandelt, wobei zum einen der Einfluss der Eigenschaften der sphärischen Präkursoren auf die resultierenden Kohlenstoffe und zum anderen der Einfluss verschiedener Carbonisierungsbedingungen (Carbonisierungstemperatur, Haltezeit, Heizrate) anhand von sphärischen Celluloseacetatpartikeln mit einer Partikelgröße < 5 µm untersucht werden. Zur Vergrößerung der Oberfläche und zur Veränderung der Porenstruktur werden aktivierte Kohlenstoffe hergestellt. Dabei wird KOH in verschiedenen Aktivierungsgraden C : KOH verwendet sowie alternative Aktivierungsreagenzien getestet.
Die (aktivierten) Kohlenstoffe dienen als Elektrodenmaterialien in Superkondensatoren, Li-Ionen-Batterien und Li-Ionen-Kondensatoren. Die hergestellten Kohlenstoffe zeigen vielversprechende Kapazitäten als Elektrodenmaterial in symmetrischen Superkondensatoren mit KOH-Elektrolytlösung, insbesondere bei Verwendung von aktiviertem Kohlenstoff aus sphärischen Celluloseacetatpartikeln. Außerdem werden verschiedene neutrale wässrige Elektrolytlösungen als Alternative zu alkalischen KOH-Lösungen getestet und der Einfluss von Konzentration und Arbeitstemperatur betrachtet.
Weiterhin kann die Eignung der hergestellten nicht-aktivierten Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-Perlen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien als Alternative zu Graphit gezeigt werden, insbesondere hinsichtlich Langzeitstabilität und dem Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen. Auch ein möglicher Einsatz der aktivierten Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-Perlen in Li-Ionen-Kondensatoren als Kathodenmaterial mit TNO-Anode wird geprüft.:ABBILDUNGSVERZEICHNIS
TABELLENVERZEICHNIS
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
SYMBOLVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Ausgangsmaterialien
2.1.1 Cellulose
2.1.2 Celluloseester (Celluloseacetat, Celluloseacetat-butyrat, Celluloseacetat-phthalat)
2.1.3 Sphärische Partikel aus Cellulose und Cellulosederivaten
2.2 Kohlenstoffe
2.2.1 Kohlenstoffe in Energiespeichern
2.2.2 Amorphe Kohlenstoffe
2.2.3 Aktivierte Kohlenstoffe
2.3 Elektrochemische Speichermethoden
2.3.1 Superkondensatoren
2.3.1.1 Speicherarten – EDLC vs. Pseudokapazität
2.3.1.2 Elektrodenmaterialien
2.3.1.3 Elektrolytsysteme
2.3.2 Lithium-Ionen-Batterien
2.3.3 Lithium-Ionen-Kondensatoren
2.4 Methoden zur strukturellen Charakterisierung
2.4.1 Laserbeugungsspektroskopie
2.4.2 Sedimentationsverhalten zur Bestimmung der Porosität
2.4.3 Stickstoffphysiosorption
2.4.4 Raman-Spektroskopie
2.4.5 Rasterelektronenmikroskopie
2.4.6 Röntgendiffraktometrie
2.4.7 Viskositätsmessungen
2.5 Elektrochemische Charakterisierung
2.5.1 Zyklische Voltammetrie
2.5.2 Galvanostatisches Zyklieren
2.5.3 Elektrochemische Impedanzspektroskopie
2.5.4 Galvanostatische intermittierende Titrationstechnik
3 EXPERIMENTELLER TEIL
3.1 Herstellung Perlcellulose
3.1.1 Herstellung der sphärischen Celluloseester / Deacetylierung
3.1.2 Variationen der Parameter
3.2 Carbonisierung / Aktivierung
3.3 Herstellung der Elektrochemischen Energiespeicher
3.3.1 Superkondensatoren
3.3.2 Lithium-Ionen-Batterien
3.3.3 Lithium-Ionen-Kondensatoren
3.4 Chemikalien
3.5 Geräte und Methoden
4 ERGEBNISSE & DISKUSSION
4.1 Ausgangsmaterialien für die Herstellung von sphärischen Celluloseestern
4.2 Sphärische Celluloseester
4.2.1 Verschiedene CA-Materialien
4.2.2 Deacetylierung zur Perlcellulose
4.2.3 Partikelgröße
4.2.4 Salzgehalt
4.2.5 Tensidgehalt
4.2.6 Celluloseacetat-butyrat
4.2.7 Celluloseacetat-phthalat
4.2.8 Zusammenfassung der Herstellung sphärischer Partikel aus Celluloseestern
4.3 Kohlenstoffe auf Basis von sphärischen Celluloseestern
4.3.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf die hergestellten Kohlenstoffe aus CA1-Perlen
4.3.2 Einfluss der verschiedenen Herstellungsbedingungen der Celluloseacetat-Perlen auf den resultierenden Kohlenstoff
4.3.3 Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-butyrat-Perlen
4.3.4 Kohlenstoffe aus Celluloseacetat-phthalat
4.3.5 Zusammenhänge zwischen Präkursoren und Kohlenstoffen
4.4 Aktivierte Kohlenstoffe
4.4.1 Aktivierung von CA- und CAB-Perlen mit KOH
4.4.2 Vergleich von KOH mit anderen Aktivierungsreagenzien
4.5 Superkondensatoren mit Elektroden aus Kohlenstoffen auf Basis von sphärischen Celluloseestern in alkalischen Elektrolyten
4.5.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf die Performance von Superkondensatoren mit CA1-Elektroden
4.5.2 Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffen aus verschiedenen Celluloseestern
4.5.3 Aktivierte Kohlenstoffe
4.5.4 Zusammenhang zwischen den hergestellten Kohlenstoffen und deren Einsatz als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren
4.6 Vergleich von alkalischen und neutralen Elektrolyten in Superkondensatoren
4.6.1 Charakterisierung der Elektrolyte
4.6.2 Neutrale Elektrolyte und alkalische Elektrolyte im Vergleich
4.6.3 Einfluss von Konzentration und Temperatur auf die Zellperformance mit Na2SO4-Elektrolyten
4.7 Kohlenstoffe aus sphärischen Celluloseestern als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien
4.7.1 Einfluss der Carbonisierungsbedingungen auf CA1 als Anodenmaterial
4.7.2 Bindersysteme
4.7.3 Kohlenstoffe aus Celluloseestern mit verschiedenen Herstellungsbedingungen
4.7.4 Einfluss der Temperatur
4.8 Lithium-Ionen-Kondensatoren mit aktiviertem Kohlenstoff aus CA-Perlen als Kathodenmaterial
4.9 Vergleich der Kohlenstoffe als Elektrodenmaterial in den verschiedenen Energiespeichersystemen
5 ZUSAMMENFASSUNG
6 LITERATURVERZEICHNIS
7 ANHANG
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:91188 |
| Date | 16 May 2024 |
| Creators | Fischer, Johanna |
| Contributors | Mikhailova, Daria, Spirk, Stefan, Fischer, Steffen, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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