Entwicklung von Kohlenstoff-Aerogelen für Feststoff-Li-S-Batterien

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation einer geeigneten Mischmethode zur Kombination eines flexiblen Resorcin-Formaldehyd (RF)-Aerogels mit einem Chitosan-Aerogel, um ein Kathodenmaterial für Feststoff-Lithium-Schwefel-Batterien zu entwickeln. Dabei soll, das flexible RF-Aerogel als mechanischer Puffer fungieren, während das Chitosan-Aerogel als stickstoffdotierte Wirtstruktur dient. Durch die Kombination beider Komponenten wird eine bimodale Porengrößenverteilung angestrebt, die sowohl strukturelle Stabilität als auch günstige Transport- und Leitfähigkeitseigenschaften unterstützt. Untersucht wurden vier verschiedene Mischmethoden (Synthesestrategien) bei variierenden Massenverhältnissen von Chitosan-Aerogel und flexiblen RF-Aerogel.

1. Getrenntes Karbonisieren der Ausgangstoffe mit anschließendem gemeinsamem Mahlen der Kohlenstoff-Phasen 2. Gemeinsames Mahlen der organischen Aerogele mit einer nachgeschalteten, gemeinsamen Karbonisierung 3. In-situ-Zugabe durch das Einbringen von bereits synthetisierten, organischem RF-Aerogel während der Sol-Gel-Synthese des Chitosan-Gels 4. In-situ-Zugabe von karbonisierten RF-Aerogel während der Sol-Gel-Synthese des Chitosan-Gels

Die resultierenden Proben wurden mittels Gasphysisorption zur Bestimmung der Porenstruktur, Rasterelektronenmikroskopie zur morphologischen Charakterisierung sowie mittels 4-Punkt-Widerstandsmessung zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit untersucht und miteinander verglichen. Am zielführendsten erwies sich Route eins, das gemeinsamen Mahlens im karbonisierten Zustand. Hier konnten sowohl Porenvolumina als auch die elektrische Leitfähigkeit in guter Näherung gemäß der Mischungsregel eingestellt werden. Demgegenüber zeigte sich das gemeinsame Mahlen im organischen Zustand als nachteilig, da der Mahlprozess vor der Karbonisierung zu einer Reduktion des Porenvolumens führte. Die In-situ-Strategie wiesen eine komplexere Wechselwirkung zwischen den Komponenten auf, insbesondere konnten in diesen Proben Steigerungen des Mesoporenvolumens beobachtet werden. Aufbauend auf den Ergebnissen sind weiterführende Untersuchungen insbesondere für die Insitu-Methoden angezeigt. Dazu zählen systematische Variationen der Chitosan-Konzentration in der Synthese sowie die gezielte Untersuchung der Zugabeart des flexiblen RF-Aerogels. Darüber hinaus sollten für die Mischroute des gemeinsamen Mahlens im karbonisierten Zustand zusätzliche Mischreihen durchgeführt und Parameter wie Karbonisierungstemperatur sowie Mahlbedingungen.