Ausführliche Beschreibung des Einzelprojektes

Herausforderungen und Ziele

Wegen ihres höheren Wirkungsgrads bei der Energietransformation sind die elektrochemischen den meisten physikalischen Energiespeichern überlegen. Nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien haben hohes Potenzial für elektrochemische Speicher, da solche Elektrodenmaterialien
ausgezeichnete Materialeigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, chemische und thermische Stabilität und vor allem eine große elektrochemisch zugängliche Oberfläche haben. Die Nachwuchsgruppe Mechanocarb bringt auf mechanochemischem Weg Poren definierter Größe in Kohlenstoffmaterialien ein, um ressourcen- und energieeffizient nanostrukturierte Elektrodenmaterialien herzustellen.

Poröse Kohlenstoffe kommen heute beispielsweise als Elektrodenmaterialien in Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Die Forschung untersucht sie darüber hinaus für den Einsatz in Lithium-Schwefel-(Li-S-) oder Metall-Luft-Batteriesystemen. Li-S-Batterien besitzen eine der höchsten theoretischen Energiedichten (2.600 Wh/kg basierend auf einer Li-Anode und einer S-Kathode), die um ein Vielfaches höher ist als die der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien (387 Wh/kg für LiCoO2/C). Somit könnten sie große Energiemengen über Stunden oder Tage speichern. Um jedoch diese hohen Leistungs- und Energiedichten in beiden elektrochemischen Anwendungen zu garantieren, sind vor allem hohe spezifische Oberflächen und wohldefinierte Nanoporenstrukturen der kohlenstoffbasierten Elektrodenmaterialien erforderlich.

Insbesondere Spitzenreitermaterialien werden in aufwendigen, mehrstufigen Prozessen, unter hohen Drücken und Schutzgasatmosphäre oder aus oft teuren oder schwer herstellbaren Ausgangsstoffen synthetisiert. Solche Verfahren sind aber schwer aufskalierbar sowie zeit- und kostenintensiv. Deswegen sind sie bisher nicht marktfähig. Einige Materialien, insbesondere momentane Spitzenreitermaterialien, kosten dabei bis zu 10.000 Euro je Kilogramm. Außerdem fällt über die einzelnen Reaktionsschritte Abfall an, der oft toxisch ist oder in Form von Lösemitteln vorkommt. Es entsteht bei der Synthese 5- bis 50-fach mehr Abfall als vom gewünschten Endprodukt. Diese Punkte verhindern eine ressourcenschonende Kommerzialisierung.

Es ist also nicht nur die Entwicklung besserer Hochleistungsmaterialien notwendig, sondern auch die Erforschung nachhaltiger, kosten-, ressourcen- und energieeffizienter Synthesewege. Ein Syntheseweg, der das Potenzial hat, diesen ökologischen und ökonomischen Anforderungen gerecht zu werden, zudem aufskalierbar ist und auf den Einsatz von Lösemitteln ganz oder weitgehend verzichtet, ist die Mechanochemie. Hier wird mechanische Energie durch Mahlen, Pressen, Drücken in ein System eingetragen, wobei lokal extreme Bedingungen, wie hohe Drücke und Temperaturen, erzeugt werden können.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Die Wissenschaftler bringen im Forschungsprojekt Mechanocarb auf mechanochemischem Weg gezielt Poren definierter Größe in Kohlenstoffmaterialien ein, um ressourcen- und energieeffizient nanostrukturierte Elektrodenmaterialien herzustellen. Sie stellen poröse Kohlenstoffe aus erneuerbaren Rohmaterialien oder Abfallprodukten, wie Getreidehülsen, Obstkernen, Lignin, Petrolkoks, Pech oder Pflanzen- und Kunststoffabfällen her. Danach charakterisieren sie die porösen Kohlenstoffe für die Anwendung in Superkondensatoren und Li-S-Batterien.

Außerdem veredeln sie herkömmliche Kohlenstoff-materialien mechanochemisch und steigern so ihre Leistungsfähigkeit. Ein tiefes Verständnis des Einflusses von mechanochemischen Verfahren auf die Porosität kohlenstoffbasierter Materialien ist dringend erforderlich, um das große Potenzial dieser kosteneffizienten und nachhaltigen Methode zur Synthese von zukünftigen Energiespeichermaterialien zu nutzen. Die Forscherinnen und Forscher erwarten, dass mit dieser Syntheseroute die Kosten von Hochleistungsmaterialien auf weniger als 100 Euro pro Kilogramm gesenkt werden könnten, was einen möglichen Markteintritt unterstützen würde.

Quelle: http://www.fona.de/mediathek/pdf/projekte/materialforschung/VS_Mechanocarb_bf.pdf (jüngster Zugriff: 11.04.2017)

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Schwefel (nicht thermal)

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

Projektleiter

Herr Dr. Lars Borchardt
Technische Universität Dresden, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften - Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie - Professur für Anorganische Chemie I
Bergstr.  66
01062 Dresden
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Telefon: +49 351 463-34960
E-Mail: lars.borchardt@chemie.tu-dresden.de

Presse

Frau Kim-Astrid Magister
Helmholtzstr. 10
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Fax: +49 351 463-37165
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