Herstellung, Charakterisierung und Evaluation von Elektroden auf Basis geordnet-mesoporöser Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Zink-Luft-Batterien

Abstract

Durch die rasch voranschreitende Entwicklung und den stetig wachsenden Bedarf in den Bereichen der Elektromobilität, der portablen Elektronik sowie der Energiespeicherung wird die Erforschung alternativer und insbesondere auch umweltfreundlicher Energiespeicher immer wichtiger. Ein besonders vielversprechendes System stellen in diesem Zusammenhang die Metall-Luft-Batterien dar. Im Rahmen dieser Dissertation wird die Synthese neuer bzw. die Verbesserung bereits bekannter Elektrodenmaterialien auf Basis mesoporöser Kohlenstoffe für die Anwendung in Zink-Luft-Batterien sowie die Herstellung und Charakterisierung von Elektroden aus diesen Kohlenstoffmaterialien behandelt. Die verschiedenen porösen Kohlenstoffe wurden in dieser Arbeit über das Exotemplatverfahren hergestellt. Der amorphe Kohlenstoff CMK-3, für welchen Saccharose als Präkursor verwendet wurde, konnte hierbei über das Verfahren der katalytischen Graphitisierung durch Eisenoxide mit graphitischen Domänen versehen werden, ohne seine Grundstruktur oder Porenordnung zu zerstören. Durch die Verwendung von Metallkomplexen des 1,10-Phenanthrolins als Präkursoren konnten weiterhin als MePhen bezeichnete, mesoporöse Kohlenstoffe mit vergleichsweise hohen Graphitisierungsgraden erhalten werden; zusätzlich wurde mit der Imprägnierung über Nutzung der Kapillarkräfte eine Methode etabliert, welche die Synthese der MePhen-Kohlenstoffe deutlich beschleunigt und verbessert. Eine besondere Herausforderung stellte die Fertigung von Luftelektroden aus den hergestellten Kohlenstoffen dar. Hierzu wurden zunächst Elektrodenpasten aus dem Kohlenstoff und dem in N-Methylpyrrolidon (NMP) gelösten Binderpolymer Polyvinylidenfluorid (PVDF) angesetzt und diese dann auf Nickel-Stromabnehmer aufgebracht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Mischungs- und Beschichtungstechnik dem komplexen System erfolgreich angepasst. So wurde durch eine modifizierte Rakeltechnik die reproduzierbare Beschichtung von Nickelblechen sowie durch ein selbst entworfenes Rakelgestell die beidseitige Beschichtung von Nickelnetzen ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass höhere Anteile des Binders PVDF zu einer Verbesserung der Beschichtungsstabilität führen. Durch die Anwendung der Phaseninversionsmethode (PI), bei welcher das PVDF durch einen Lösungsmittelaustausch statt durch normale Trocknung verfestigt wurde, gelang es, hohe Binderanteile mit guter Zugänglichkeit der aktiven Oberfläche zu kombinieren und zudem sehr stabile Beschichtungen herzustellen, da die Kohlenstoffpartikel mit der PI-Methode in eine netzartige Polymermatrix eingebracht wurden. Es zeigte sich, dass die PI-Methode ideal für die Anwendung auf Nickelnetzen, aber ungeeignet für Nickelbleche ist. Die elektrochemische Untersuchung der Elektroden konnte zeigen, dass die mit der PI-Methode hergestellten Netzelektroden stabiler und leistungsfähiger waren als die konventionell getrockneten Blechelektroden. Zudem erwies sich der cobaltbasierte MePhen-Kohlenstoff CoPhen als ein sehr vielversprechender Kandidat als Aktivmaterial in Zink-Luft-Batterien, da Elektroden mit diesem Aktivmaterial reproduzierbar eine höhere Entladespannung liefern konnten als eine kommerziell erhältliche und somit bereits optimierte Luftelektrode.