Anodenmaterialien für wiederaufladbare -Ionen-Batterien
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler der Korea Maritime and Ocean University (Won-Ju Lee, Han Vin Kim, Jae-Hyuk Choi, Gasidit Panomsuwan, Young-Chan Lee, Beom-Seok Rho und Jun Kang) eine neuartige Verwendung für den Dieselruß von Hochseeschiffen nachgewiesen. Sie nutzten den darin enthaltenden Kohlenstoff nach Aufarbeitung bei 2.700 Grad als Anode für Lithium-Ionen-Batterien.
Schiffsdiesel im Hafen von Malaga – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
„Für diese Studie wurde der von Schiffen erzeugte Ruß recycelt und, durch ein Wärmebehandlungsverfahren graphitiert, als anodenaktives Material vfür Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erwendet“, schreiben die Autoren im Wissenschaftsmagazin nature. „Es bestätigte sich, dass der graphitierte Ruß in hochkristallines Graphit umgewandelt wurde und Kohlenstoff-Nano-Zwiebeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 70 nm bildete. Der graphitierte Ruß zeigte eine hohe Entladekapazität und eine ausgezeichnete Lebensdauer, mit einer reversiblen Kapazität von 260 mAhg-1 auch nach 150 Zyklen bei einer Rate von 1 C. Die Studie belegt, dass der geglühte Ruß mit einer einzigartigen graphitischen Mehrschichtstruktur eine elektrochemische Leistung aufwies, die ihn als Kandidat für die Herstellung von kostengünstigen Anodenmaterialien für den Einsatz in LIBs geeignet machte.“
Die internationale Schifffahrt als Entwicklungsbereich der Weltwirtschaft – mehr als 80 % des Welthandels werden über See abgewickelt – habe den internationalen Handel in den vergangenen zehn Jahren zunehmen lassen; die dadurch gewachsene Weltflotte habe zu einem deutlichen Anstieg des Treibstoffverbrauchs aufgrund der gestiegenen Gesamtmotorleistung geführt. Auf Handelsschiffen erzeugen die meisten Dieselmotoren Antriebsenergie aus der Verbrennung von minderwertigem Schweröl (HFO), das umweltschädliche Nebenprodukte emittiert. Die Rußmenge von Seeschiffen steigt aufgrund der absoluten Korrelation zwischen dem Treibstoffverbrauch durch die internationale Schifffahrt und dem weltweiten Seehandel.
Andererseits verbieten die revidierten MARPOL-Bestimmungen (International Convention for the Prevention of Pollution from Ships – Internationales Übereinkommen zur Verhütung der Meeresverschmutzung durch Schiffe), dass Schiffe viele Abfälle, einschließlich Ruß, ins Meer entsorgen. Allerdings ist die Rußentsorgung für Reedereien schwierig, es gibt keinen klaren Weg, Ruß zu behandeln, ohne ihn anzulanden, was teuer ist. Rußpartikel von Schiffsdieselmotoren werden über Abgasströme in die Atmosphäre abgegeben. Nach internationalen Schätzungen liegt die jährliche Menge an Abgaspartikeln aus der Schifffahrt zwischen 0,9 und 1,7 Millionen Tonnen. Einige von ihnen haften an den Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauscher, was seine Effizienz verringert und lähmende Auswirkungen wie erhöhte Reinigungskosten, Korrosion und die Gefahr von Rußbränden haben kann.
Hauptbestandteil von Ruß ist Kohlenstoff (>80 Gewichtsprozente), der bei Hochtemperatur-Pyrolyse- oder Verbrennungsprozessen als Nebenprodukt des Betriebs von Selbstzündern entsteht. Bisher haben jedoch noch keine Studien versucht, Ruß zu nutzen, der Nanostrukturen enthält, die einen gewissen Grad an kristalliner Ordnung aufweisen. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal der Versuch unternommen, Abfallruß von Schiffen zu recyceln, um ein aktives Material für die Verwendung in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) bereitzustellen, was ein einzigartiger Versuch ist, Abfall für die Bereitstellung Erneuerbarer Energie zu nutzen. Dies ist möglich, weil Graphit häufig als aktives Anodenmaterial in LIBs verwendet wird und der von Schiffsdieselmotoren erzeugte Ruß hauptsächlich aus Kohlenstoff und graphitischen Nanostrukturen besteht.
Künstliches Graphit für den Einsatz in LIBs wird hergestellt, indem zuerst ein Kohlenstoffvorläufer gewonnen, dann verkohlt und dann graphitiert wird, um seine Kristalleigenschaften zu erhöhen. Im Falle von Graphit, der aus Abfallruß reformiert wurde, wie er in dieser Studie verwendet wird, werden Vorläufer- und Karbonisierungsprozesse in einem Verbrennungsmotor durchgeführt, wobei nur der Graphitierungsprozess erforderlich ist. Das kann diese Methode wesentlich kostengünstiger machen als andere Verfahren zur Herstellung von künstlichem Graphit.
In dieser Studie wurden Rußproben aus einem Dieselmotor eines Seeschiffes mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), Röntgenbeugung (XRD), Raman-Spektroskopie und Brunauer-Emmett-Teller (BET) Theorie analysiert, um deren strukturelle Eigenschaften zu untersuchen. Um die Kristalleigenschaften des Rußes zu verbessern und das Einbringen von Li-Ionen in die Graphenschichten zu erleichtern, wurde die Graphitierung durch Glühen bei 2.700 °C durchgeführt. LIBs wurden unter Verwendung des geglühten Rußes hergestellt, und ihre elektrochemischen Eigenschaften wurden bewertet, um die Möglichkeit der Verwendung dieses Materials in Anoden für LIBs zu überprüfen.
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