Krabbenschalen könnten nächste Generation wiederaufladbarer Batterien antreiben

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ACS-Artikel: Forschung könnte nachhaltige Technologien befördern

Anstatt Krabbenschalen wegzuwerfen oder zu kompostieren, „upcycelten“ Forscher sie jetzt zu vielfach verwendbaren porösen, kohlenstoffgefüllten Substanzen. So hat ein chinesisch-japanisches Forscher-Team soeben open access unter dem Titel „SnS2/C- und FeS2/C-Kohlenstoffkomposite aus Krabbenschalen als Anoden für Hochleistungs-Natrium-Ionen-Batterien“ in ACS Omega berichtet, man habe diesen Krabbenkohlenstoff verwendet, um Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien herzustellen – eine aufstrebende Konkurrenz für Lithium-Ionen-Batterien.

Rote Klippenkrabben auf Galápagos – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Li-Ionen-Batterien treiben viele elektrische Geräte an. Da Lithium aber nur begrenzt verfügbar ist, richten Forschende ihre Aufmerksamkeit stattdessen auf seine chemische Verwandten. In der Vergangenheit wurde bereits eine biologisch abbaubare Zink-Ionen-Batterie aus dem Chitin von Krabbenschalen hergestellt (siehe: sciencedirect.com/S2590238522004143).

Die Abfälle könnten aber auch in harten Kohlenstoff umgewandelt werden, Material als mögliche Anode für Natrium-Ionen-Batterien. Die Natriumionen ähneln dem Lithium, sind aber größer und daher mit der Anode einer Lithium-Ionen-Batterie nicht kompatibel. Wenn Hartkohlenstoff jedoch mit metallischen Halbleitermaterialien kombiniert wird, kann das Material zu einer brauchbaren Batterieanode werden. Yun Chen, Yue Zhao, Hongbin Liu und Tingli Ma haben deshalb untersucht, wie Zinnsulfid und Eisensulfid mit hartem Kohlenstoff aus Krabbenschalen kombiniert werden können.

Zur Herstellung des Krabbenkohlenstoffs erhitzten sie Krabbenschalen auf mehr als 500° C, fügten den Kohlenstoff einer Lösung von Zinnsulfid (SnS2) oder Eisensulfid (FeS2) hinzu und trockneten die Lösung, um Anoden zu bilden. Die poröse, faserige Struktur des Krabbenkohlenstoffs sorgte für eine große Oberfläche, was die Leitfähigkeit des Materials und die Fähigkeit, Ionen effizient zu transportieren, verbesserte. Bei Tests in einer Modellbatterie stellte das Team fest, dass beide Verbundstoffe 200 Zyklen lang hielten. Die Forschenden glauben, dass ihre Arbeit einen Weg zur Wiederverwertung anderer Abfälle eröffnen und zur Entwicklung nachhaltiger Batterietechnologien beitragen kann.

Aus ACS Omega

„In dieser Arbeit haben wir kostengünstige SnS2/C- und FeS2/C-Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien synthetisiert, für die wir Abfallkrabbenschalen als Biomasse-Kohlenstoffvorläufer verwendet haben. Die SnS2-Nanoblatt- und FeS2-Nanosphärenstrukturen werden auf dem aus Krabbenschalen gewonnenen Kohlenstoff durch eine einfache hydrothermale Reaktion abgeschieden. Aufgrund der Koexistenz von Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDs) und aus Krabbenschalen gewonnenem Biomassekohlenstoff verfügt das Anodenmaterial über eine ausgezeichnete Zyklenstabilität und Leistungsstärke. SnS2/C und FeS2/C liefern Kapazitäten von 535,4 bzw. 479 mAh/g bei einer Stromdichte von 0,1 A/g. In dieser Studie wurde eine wirksame und wirtschaftliche Strategie zur Verwendung von Biomasse und TMDs für den Bau von Hochleistungs-Natrium-Ionen-Batterien untersucht.

Alternative Geräte könnten auf dem künftigen Markt wettbewerbsfähiger werden, vor allem für große Energiespeichersysteme wie Elektrofahrzeuge und Festnetzspeicher. Im Vergleich zu Lithium ist Natrium reich an Ressourcen und kostengünstig, und sein Redox-Potenzial kommt dem von Lithium relativ nahe, so dass die Natrium-Ionen-Batterie hohe Erwartungen bezüglich der Anwendung großer Energiespeichersysteme geweckt hat. Derzeit ist Graphen das am häufigsten verwendete Anodenmaterial für Lithiumbatterien. Aufgrund des großen Radius der Natriumionen, der die Einlagerung erschwert, hat Graphit jedoch fast keine Natriumspeicheraktivität. Zu den derzeit am meisten untersuchten Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien gehören Hartkohlenstoff, Metalle, Metalloxide/-sulfide, Legierungen und organische Verbindungen.

Unter den TMDs wurden die auf Sn basierenden Übergangsmetallsulfide wegen ihrer hohen theoretischen Kapazität eingehend untersucht. Die hohe Kapazität von Sn-basierten Übergangsmetallsulfiden wird auf die kombinierte Wirkung der Umwandlungs- und Legierungsreaktion zurückgeführt. Allerdings schränkt die schlechte Leitfähigkeit der Sn-basierten Sulfid-Anodenmaterialien ihre elektrochemische Leistung ein. Das Übergangsmetallsulfid auf Fe-Basis hat eine hohe theoretische Kapazität und wurde aufgrund seiner geringen Kosten und ungiftigen Eigenschaften eingehend untersucht. Obwohl SnS2 und FeS2 hohe theoretische Kapazitäten haben, sind sie in der Praxis weit davon entfernt, eingesetzt zu werden. Während der Legierungsreaktionen kommt es zu einer erheblichen Volumenausdehnung, Zerkleinerung und mechanischen Verformung, was zu einer schlechten Zyklenstabilität und Kapazität führt. Die aktiven Materialien sind leicht zu vergröbern, was den Fortschritt der Umkehrreaktion stark einschränkt und die Energiedichte der Natrium-Ionen-Batterien (SIB) negativ beeinflusst.

Im Allgemeinen gibt es folgende gängige Möglichkeiten, die Natrium-Ionen-Speicherung für Natrium-Ionen-Batterien zu verbessern:

  1. Verbund von TMDs mit Kohlenstoffmaterialien. Die ausgezeichnete Leitfähigkeit von Kohlenstoffmaterialien kann nicht nur die Übertragung von Na+ fördern, sondern auch eine Pufferschicht für die Volumenexpansion während des Umwandlungsprozesses bereitstellen und folglich die Zyklenstabilität und die Ratenleistung verbessern.
  2. Regulierung der Morphologie von Übergangsmetallsulfiden. Eine gute Struktur kann die Diffusionsdistanz von Natriumionen verkürzen und bietet genügend Raum für die Volumenausdehnung.
  3. Herstellung von bimetallischen Sulfiden. Im Vergleich zu monometallischem Sulfid enthält bimetallisches Sulfid mehr aktive Stellen, und der konstruierte Heteroübergang kann die elektrische Leitfähigkeit weiter verbessern und die elektrochemische Leistung steigern.
  4. Auswahl eines geeigneten Elektrolyten. Ein geeigneter Elektrolyt, der sich auf die Bildung der Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) auswirkt, ist ein wichtiger Faktor, der die Leistungsfähigkeit der Batterie bestimmt.

In jüngster Zeit haben aus Biomasse gewonnene Hartkohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer überlegenen Leistung, Umweltfreundlichkeit, Reichhaltigkeit und Erneuerbarkeit als Elektrodenmaterialien für SIBs große Beachtung gefunden. Allerdings schränkt die geringe theoretische Kapazität ihre Anwendung ein. Daher kann eine Strategie, die TMDs und Hartkohlenstoff auf Biomassebasis kombiniert, nicht nur die Zyklenstabilität verbessern, sondern auch eine höhere Kapazität und geringere Kosten aufweisen und somit eine bessere Lösung für die industrielle Nutzung bieten.

Wir haben SnS2/C- und FeS2/C-Verbundwerkstoffe synthetisiert, bei denen Krabbenschalenabfälle als Vorläufer für harte Kohlenstoffbiomasse verwendet wurden. SnS2-Nanoblatt- und FeS2-Nanosphären-Strukturen werden auf dem aus Krabbenschalen gewonnenen Kohlenstoff durch eine einfache hydrothermale Reaktion abgeschieden. Aufgrund der Koexistenz von Metallsulfiden und Krabbenkohlenstoff mit einer großen Oberfläche weist das Verbundmaterial eine hervorragende Zyklusleistung und Ratenfähigkeit sowie eine langfristige Stabilität auf. Bei Verwendung als Anode von Natrium-Ionen-Batterien liefern SnS2/C und FeS2/C nach 200 Zyklen eine Kapazität von 416,5 bzw. 393,8 mAh/g bei einer Stromdichte von 0,5 mA/g. Diese Studie bietet eine wirtschaftliche Strategie zur Verwendung von Biomasse und TMDs für den Bau von Hochleistungs-Natrium-Ionen-Batterien.“

->Quellen: