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2°Campus 2018 - Forschungsgruppe Mobilität (Ergebnisse)

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    In meinem letzten Artikel über die Forschungsgruppe "Mobilität" des 2°Campus 2018 habe ich euch von unserer Forschungsfrage und unserem Vorhaben erzählt.

    Die Überbrückungszeit, das Forschen im Sommer, eine weitere Überbrückungszeit, die offizielle Präsentation der Ergebnisse im Herbst, eine Pause und einiges an Verschnarchzeit später, will ich auch euch heute Arbeit und Ergebnisse unseres Teams etwas näher bringen.

     

    Zunächst noch einmal zur Frage: Ich muss hier nicht erklären, dass nicht-fossil betriebene Kraftfahrzeuge wichtig für den Klimaschutz sind. Und ein Teil dieser Noch-Sparte sind E-Autos. Wichtig für E-Autos sind Lithium-Ionen-Batterien (LIB).

    Wir haben uns Gedanken darüber gemacht, welche Auswirkungen die Verwendung von umweltfreundlich gewonnenem Silizium in modernen LIBs für diese hat.

    Denn Silizium ist als Siliziumdioxid Bestandteil von Sand. Und da es Sand nun einmal wie Sand am Meer gibt, graben wir dafür momentan noch unsere Strände ab, bis wir mit dem ganzen Rumbuddeln, für unterschiedlichste Industriezweige (bes. E-Technik), plötzlich ganze Ökosysteme weggebaggert haben. Das ist nicht gut.

    Daher ist das Recycling von elementarem Silizium aus Abfallprodukten wie E-Schrott, Glas oder Silicon durchaus eine Überlegung wert. Ob das gelingen kann, galt es herauszufinden.

     

    Für die Forschung waren wir als sechsköpfiges Team in Münster untergebracht, da sich in der Studentenstadt, als Teil der Universität Münster, auch das meet-Batterieforschungszentrum befindet.

    Da das Silizium zur Verbesserung der elektrischen Kapazität in LIBs der Anode beigefügt wird, war der Plan, das Anodenmaterial für die Batterien, die wir zum Testen bauen wollten, selbst zu mischen.

    Der erste Schritt hierfür war die Gewinnung des Siliziums selbst. Wir nahmen an, dass wir durch chemische Aufbereitung einer Glasprobe, das darin enthaltene Silizium soweit isolieren könnten, dass es für den Bau einer LIB ausreichen würde. Um diese These zu überprüfen, mahlten wir die Probe (die wir freundlicherweise von unserem Sponsor Heinz-Glas zur Verfügung gestellt bekommen hatten) in einem Mörser, bis wir eine sehr geringe Partikelgröße erreichten.

     

    ©WWF/Arnold Morascher

     

     

    Da ein großer Bestandteil von Glas zwar Siliziumdioxid ist, woran wir für das Projekt interessiert waren, aber sich darin durchaus noch weitere Zusätze finden lassen, entfernten wir diese, indem wir sie mit Salzsäure aus unserer Probe wuschen. Zum verbliebenen Siliziumdioxid gaben wir dann Magnesium und ließen die Probe bei 600° in einer Heizröhre über Nacht stehen. Nach weiteren Anwendungen von Salzsäure und Alkohol zum Entfernen der Nebenprodukte, nahmen wir den Anteil elementaren Siliziums als hoch genug an um fortzufahren.

    Um eine Referenz zu erhalten, führten wir denselben Vorgang auch mit einer Sand-Probe durch.

     

    ©Pia Hesper

     

     

    Der nächste Arbeitsschritt bestand dann aus dem Mischen des sogenannten "Slurries", der das Aktivmaterial beim Lade-/Entladeprozess an der Anode darstellt und folglich für die eigentliche Ladungsspeicherung zuständig ist. Die Mischung beinhaltet insbesondere Graphit und einen bestimmten geringen Prozentsatz Silizium, sowie Bindemittel und Leitruß.

    Da ein zu hoher Silizium-Anteil, aufgrund der Volumenausdehnung des Stoffs bei einer Ladung der Anode, zu Schäden an der Graphitstruktur führt und damit die Lebensdauer der Batterie verringert, haben wir uns für ein Mischverhältnis von 15 % Silizium und 85 % Graphit entschieden.

    Insgesamt haben wir drei unterschiedliche Slurries angerührt: Zum einen jeweils einen für unser aus Glas und Sand gewonnenes Silizium und einen mit Silizium aus industrieller Aufbereitung, um später eine Referenz zu unserer Durchführung zu haben.

    Nachdem wir den Slurrie dann auf eine Kupferschicht aufgetragen hatten, die zur Ladungsübertragung dient, und diese dann in die für unsere Testbatterien notwendige Form gebracht hatten, waren unsere Anoden fertiggestellt.

     ©Emma Beyer

     

    Zur Fertigung der Batterien haben wir unser ursprüngliches Labor verlassen und haben die Arbeit in einen Trockenraum verlegt. In einem solchen Raum herrscht eine Luftfeuchtigkeit von annähernd 0 %. Das ist auch notwendig, denn eine Lithium-Ionen-Batterie, genau genommen deren Kathode, enthält ganz offensichtlich Lithium, welches als Alkalimetall derart stark mit Wasser reagiert, dass damit nicht bei normaler Luftfeuchtigkeit gearbeitet werden kann.

    Für unsere Tests brauchten wir insgesamt sechs Batterien – zwei für jeden Anodentyp, um eine Fehleinschätzung durch eine einzelne defekte Batterie zu vermeiden. Die einzelnen Bestandteile der LIBs (Anode, Kathode, Elektrolyt etc.) haben wir in kleinen T-förmigen, für Testzwecke optimierten, Metallgehäusen zusammengeführt.

     

    Der eigentliche Test der Batterien folgte dann. Dafür haben wir die sechs Zellen an einen Zyklisierer angeschlossen, eine Apparatur die die LIBs immer wieder lädt und entlädt und dabei die Kapazität der Batterie misst. Dadurch erhält man am Ende (im Normalfall der Batterietod) einen Überblick über die Kapazitätsentwicklung in der Batterie und kann so eine Einschätzung über diese treffen.

     

    Unsere Auswertung zeigt, wie erwartet, zunächst einmal einen klaren qualitativen Vorsprung der LIBs, deren Silizium aus industrieller Quelle stammt und damit auch einen sehr hohen Reinheitsgrad besitzt. Sie zeigt aber auch, dass unsere Batterie, deren Silizium aus Glas recycelt wurde, grundsätzlich funktioniert und nur schwach hinter der mit Silizium aus klassischen Quellen liegt.

    Vor der Anmischung des Slurries hatten wir unsere Sand-/Glas- und später Silizium-Proben unter Beschuss von Röntgenstrahlen in einem Röntgendiffraktor auf Silizium und Siliziumdioxid untersuchen können, sowie die Möglichkeit gehabt, die Struktur der Produkte auch unter einem Rasterelektronenmikroskop betrachten zu können. Hierbei hatte sich bereits eine Tendenz zu solchen, leicht voneinander verschiedenen, Ergebnissen angedeutet.

     

    ©MEET/WWU Münster

     

     

    Das bedeutet wir können als Fazit für unsere Forschung ziehen, dass es möglich ist moderne LIBs mit Silizium aus nachhaltigen Quellen im Anodenmaterial zu bauen und zu betreiben. Jedoch wäre es für diesen Zweck notwendig umfangreichere Waschschritte zu unternehmen und eine bessere Dosierung der bei den Reaktionsschritten hinzugefügten Stoffen zu finden, um die Isolierung des im Glas enthaltenen Siliziums noch erfolgreicher zu gestalten.

    Unsere Forschung zeigt, dass großes Potenzial in der Verwendung nachhaltiger Siliziumquellen für die moderne Batterietechnik steckt.

     

    Der Aufenthalt in Münster und die Arbeit am dortigen Batterieforschungszentrum waren aufregend und definitiv eine Erfahrung! Ich habe neues gelernt und hatte die Möglichkeit, unter Leitung unserer geduldigen wissenschaftlichen Mentoren, in einem professionellen Labor arbeiten zu können. Es hat mir große Freude bereitet mit meiner Forschungsgruppe zusammen arbeiten und lachen zu können – grade im richtigen Verhältnis – und möchte mich, auch im Namen meines Teams bedanken. Bei der Universität Münster und dem meet, für die Zurverfügungstellung ihrer Labore und Materialien für unsere Forschung, bei unseren wissenschaftlichen Mentoren, für die kompetente Einweisung und eine freundliche Art, bei Heinzglas, für das Möglichmachen des 2°Campus als Hauptsponsor, und beim WWF Deutschland, für die Idee junge Menschen wie uns auf diese Weise an so ein wichtiges Thema zu führen und uns diese Chance gegeben zu haben.

    Danke!

Kommentare

1 Kommentar
  • TrafalgarLaw03
    TrafalgarLaw03 Wow! Das klingt unfassbar spannend und interessant. Und sehr interessante Forschungsergebnisse, wenn man noch ein wenig daran feilt, könnte so eine "Recycling-Silizium-Batterie" sicherlich annähernd mit einer konventionellen Batterie mithalten
    2. Jan.