Kohlenstoffe aus Cellulose Kompositen für Energiespeicher

Nachhaltige Energiespeicherung ist ein zentrales Thema, um dem Klimawandel wirksam entgegentreten zu können. Es gibt mannigfaltige Optionen, um dies zu bewerkstelligen, sei es in Pumpspeicherkraftwerken, in Schwungrädern, Batterien oder Superkondensatoren. Je nach Anwendungsgebiet haben diese Technologien ihre Stärken und Schwächen, da sie unterschiedlich lange benötigen, um Energie zu speichern und wieder freizugeben, einen Zugang zu Ressourcen benötigen bzw. nicht unbegrenzt skalierbar sind. Eine besondere Form der Energiespeicherung findet in Superkondensatoren statt. Dort wird die Energie in Form von Ladungen an der Oberfläche eines in der Regel elektrisch leitfähigen Materials gespeichert. In kommerziellen Anwendungen wird hierfür hochporöser, aktivierter Kohlenstoff verwendet. Das Charakteristikum solcher Kohlenstoffe ist, dass sie extrem hohe spezifische Oberflächen aufweisen, die 1500 m2/g und mehr betragen. Neben der spezifischen Oberfläche sind auch die Porengrößen von immanenter Wichtigkeit, da diese ebenfalls die Leistungsfähigkeit eines Superkondensators wesentlich beeinflussen. Hochporöse Kohlenstoffe werden aus Biomasse kommerziell aus Kokusnussschalen produziert. Es handelt sich dabei um einen thermischen mehrstufigen Prozess, der zuerst aus einem Verkohlungsschritt und einem weiteren sogenannten Aktivierungsschritt besteht. Der Verkohlungsprozess vermeidet die Verbrennung der Biomasse und hat zum Ziel, eine bereits möglichst kohlenstoffreiche Masse zu erhalten, während der Aktivierungsschritt bei höheren Temperaturen Poren bis in den sub-Nanometerbereich in das Material einbringt, wodurch die aktivierten Kohlenstoffe entstehen. Es ist in der Literatur sehr gut bekannt, welche chemischen Prozesse bei dieser Umwandlung ablaufen, sowohl bei der Verkohlung als auch der Aktivierung. Allerdings ist der Einfluss des Ausgangsmaterials bisher nicht systematisch untersucht worden und es gibt hauptsächlich empirische Studien, die kein komplettes Bild auf diese Umwandlungsprozesse werfen können und dadurch die Weiterentwicklung von Superkondensatoren behindern. Im CellStor Projekt werden die grundlegenden Zusammenhänge zwischen der Morphologie, der chemischen Zusammensetzung und der hierarchischen Struktur von Biomasse untersucht, um ein besseres Verständnis über deren Einfluss auf die finalen Materialeigenschaften in aktivierten Kohlenstoffen zu bekommen. Im Cellstor-Projekt werden hierzu definierte Materialien hergestellt, die aus verschiedenen Cellulosetypen in unterschiedlichen Verhältnissen bestehen, um die oben genannten Kriterien unabhängig voneinander zu untersuchen. Dies umfasst Zellstofffasern wie sie in Papier eingesetzt werden, Nanocellulose, die Faserdurchmesser im Nanometerbereich aufweist sowie Cellulosebeads, die einen Durchmesser im Mikrometerbereich haben. Die Umwandlung in aktivierte Kohlenstoffe wird mit verschiedenen Methoden im Detail untersucht und deren Einfluss auf die Performance von Superkondensatoren evaluiert.