Kohlenstoffhaltige Materialien zur Anwendung in Energiespeichern

Als Präkursor für Kohlenstoffe, die als Elektrodenmaterialien in Elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Alkalimetall-Ionen-Batterien eingesetzt werden können, kommt eine Vielzahl von Materialien in Betracht. An einen nachhaltigen, aber auch im großen Maßstab umsetzbaren Ansatz sind jedoch einige Anforderungen an die potentiellen neuen Ausgangsstoffe geknüpft. So sollten letztere beispielweise kostengünstig und in ausreichenden Mengen verfügbar sein, aus erneuerbaren Ressourcen bestehen, kostengünstig prozessierbar sein und attraktive elektrochemische Eigenschaften besitzen. Diesen Idealen folgend konnten wir Aktivkohle (engl. activated carbon) und „hard carbon“ (amorpher, nicht graphitisierbarer Kohlenstoff) aus Bier-Treber, der beim Brauprozess als Abfallprodukt anfällt, herstellen. Bier-Treber besteht zu großen Teilen aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin und fiel 2019 zu schätzungsweise 1.5 mrd. (nasszustand) alleine in Deutschland an. Die daraus zur Anwendung in EDLCs synthetisierte Aktivkohle besitzt eine spezifische Oberfläche von 3600 m² g^-1 und zeichnet sich durch eine hierarchische Porenstruktur aus. Diese Eigenschaften resultieren zum einen in einer hohen Kapazität von 46 F g^-1 und zum anderen in einer guten Leistung bei hohen Stromraten, da die Porenstruktur gute Voraussetzungen für den Transport der Ladungsträger bietet.

Hard carbon kann im Gegensatz dazu als Material für die negative Elektrode in Alkalimetall-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Das von uns durch eine energiesparende einstufige Synthese bei vergleichsweise niedriger Temperatur hergestellte Material kann sowohl in Lithium-, Natrium- und Kalium-Ionen Systemen eingesetzt werden. Im Fall von Lithium zeigt es dabei eine spezifische Kapazität von 612 mAh g^-1, welche deutlich oberhalb der theoretischen Kapazität von Graphit liegt, welches standardmäßig in kommerziellen Systemen Verwendung findet. Allen Systemen ist dabei eine hohe Coulomb-Effizienz von >99,6 % und somit eine gute Zyklenfestigkeit gemein.

Durch Kombination dieser Materialien mit innovativen Elektrolyten lassen sich nachhaltige und sichere Energiespeichersysteme realisieren.

Darlami Magar, S., Leibing, C., Gόmez-Urbano, J.L., Carriazo, D., Balducci, A. (2022). Brewers’ spent grains derived carbon as anode for alkali metal ion batteries – submitted manuscript