Anschlussstudie zeigt Einfluss verschiedener Aktivatoren und deren Mischverfahren auf die Grafitierung von Kaffeesatz auf
Grafitanoden aus natürlichen Biomassematerialien wie Kaffeesatz kostengünstig und umweltfreundlich herzustellen ist von entscheidender Bedeutung, um den steigenden Bedarf an Materialien für Lithium-Ionen-Batterien decken zu können. In einer vorangegangen Studie hat ein Team des MEET Batterieforschungszentrums Universität Münster, der Universität Sevilla sowie des Helmholtz-Instituts Münster des Forschungszentrums Jülich bereits systematisch untersucht, welchen Einfluss der Aktivator Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat auf den Grafitierungsprozess von Kaffeesatz hat. Dieser führte nur zu einer begrenzten Entwicklung der grafitischen Struktur. Aufbauend auf diesen Ergebnissen haben die Wissenschaftler*innen nun vier verschiedenen Aktivatoren auf Eisenbasis analysiert. Besonderes Augenmerk legten sie darauf, inwiefern ein Nass- oder Trockenmischverfahren die Entwicklung der grafitischen Struktur und somit die Performanz der Batteriezelle begünstigt.
Trockenmischverfahren verbessert elektrochemische Eigenschaften
Das Biomasseprodukt Kaffeesatz ist ein mögliches, nachhaltiges Vorläufermaterial für die Herstellung von synthetischem Grafit. In einer Studie aus dem Jahr 2022 identifizierte das Wissenschaftsteam der beteiligten Forschungseinrichtungen erstmals einen Sättigungspunkt für den Grafitierungsgrad bei der Verwendung von Kaffeesatz und Eisenchlorid als Aktivator. Der Sättigungspunkt wurde erreicht, wenn der Aktivator 40 Prozent des Gesamtgewichts ausmachte und bei 2.000 Grad Celsius wärmebehandelt wurde. Aufgrund der Flüchtigkeit der verwendeten Eisenquelle waren verschiedene weniger flüchtige Aktivatoren im Hinblick auf ihre Eigenschaften für den Grafitierungsprozess von großem Interesse. Daher haben die Forschenden den Einfluss vier verschiedener Aktivatoren verglichen: Eisen(III)-chlorid, Eisen(III)-nitrat, Eisen(III)-oxid und reinem Eisen. Dabei haben sie den Aktivator sowohl flüssig als Eisensalz, gelöst in einem organischen Lösungsmittel, als auch direkt in fester Form hinzugegeben. „Die direkte physische Zugabe von Mikrometer großen Eisenpartikeln verbesserte die elektrochemischen Eigenschaften des aus Kaffeesatzsynthetisiertem Grafits am meisten“, sagt MEET Wissenschaftler Lars Frankenstein. „Anders als erwartet führt die Flüssigimprägnierung vor der Grafitierung trotz einer anfangs generell homogeneren Eisenverteilung im Kaffee nicht zu einer zufriedenstellenden Grafitierung.“ Das bringt sowohl Kostenvorteile mit sich, da pures Eisen günstiger ist als die Eisenlösung, als auch zeitliche Vorteile im Herstellungsprozess: Während das Trockenmischverfahren nur wenige Minuten in Anspruch nimmt, sind es bei der Flüssigimprägnierung mehrere Stunden.
Zudem setzt sich das Eisen aus der Lösung als Nanopartikel auf der Oberfläche innerhalb der Poren ab. Frankenstein ordnet ein: „Größere Partikel des pulverförmigen Aktivators scheinen für die Grafitierung von Biomasse vorteilhafter zu sein als Aktivatoren mit Nanostruktur. Dies deutet darauf hin, dass die Partikelgröße eine entscheidende Rolle für die Grafitierung spielt. Dieses Phänomen muss nun weiter erforscht werden.“
Komplette Studie online frei verfügbar
Die detaillierten Ergebnisse ihrer Studie haben die Autor*innen Lars Frankenstein, Pascal Glomb, 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, im Fachmagazin "ChemElectroChem" veröffentlicht.