Herstellung bio-basierter Elektrodenmaterialien für die E-Mobilität

Mit dem Projekt soll ein Beitrag zur Etablierung einer bio-basierten Ressourcen- und Werkstoffbasis für die E-Mobilität geleistet werden. Für einen flächendeckenden Einsatz von Hybrid- und Elektroautos werden leistungsfähige Energiespeicher wie elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (Superkondensatoren) benötigt. Derzeit am Markt verfügbare Elektrodenmaterialien werden auf der Basis fossiler Ressourcen (Graphit, Erdöl) oder unter Einsatz relativ teurer Verfahren hergestellt und tragen somit maßgeblich zu dem hohen Preisniveau aktueller Energiespeichertechnologien bei.

Mittels hydrothermaler Karbonisierung (thermochemische Zersetzung bei < 200°C; HTC) von Biomasse und anschließender KOH-Aktivierung (Ratio 4:1) ist es möglich, bio-basierte Aktivkohlen herzustellen, die aufgrund ihrer physiko-chemischen und elektrochemischen Eigenschaften vielversprechende Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren darstellen. Solche HTC-Kohlen aus Biomasse könnten in Zukunft eine günstigere und umweltfreundlichere Möglichkeit darstellen. Vor allem stickstoff- und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen sowie bestimmte Metalloxide auf der Kohlenstoffoberfläche scheinen die Kapazität von funktionalisierten HTC-Kohlen deutlich zu erhöhen. Die Herstellung dieser Kohlenstoffmaterialien umfasst in der Regel mehrere Prozessschritte. Eine Optimierung des mehrstufigen Verfahrens hin zu einer einstufigen, ressourcen- und zeiteffizienteren Herstellung (=in-situ-Funktionalisierung) würde das Substitutionspotenzial bio-basierter Kohlenstoffmaterialien erheblich steigern. Im Rahmen dieses Projektes wird die in situ-Funktionalisierung anhand verschiedener Biomassen und Metalloxide optimiert. Dies umfasst neben der Herstellung der funktionalisierten HTC-Kohlen die vergleichende physio-chemische Charakterisierung (z.B. Oberflächengröße, funktionelle Gruppen, Zusammensetzung, Morphologie) und elektrochemische Bewertung (z.B. Kapazität, Leitfähigkeit). Abschließend wird eine ökonomische und ökologische Bewertung der hergestellten Materialien erfolgen, um ihr tatsächliches Substitutionspotenzial abzuschätzen.