Berichte

Forschungsergebnisse der Mobilitätsgruppe

  • Wie in den anderen Forschungsgruppen, wurde auch in der Mobilitätsgruppe fleißig geforscht und  tolle Ergebnisse wurden erzielt.  Obwohl das praktische Forschen über Livestreams via ZOOM erfolgen musste, arbeiteten alle Mitglieder (Josie, Maren, Frida, Lars, Liv) motiviert und engagiert an der Beantwortung der Forschungsfrage: „Wie wirkt sich der Austausch von fluorhaltigen Polymeren durch Bio-Polymere (Chitosan, Stärke, Cellulose, quervernetztes Chitosan) als Bindermaterial auf die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden in einer Lithium-Ionen-Batterie aus?“

     

    Zu beginn brachten uns unsere wissenschaftlichen Mentoren Sven und Jens näher, wie eine Lithium-Ionen Batterie funktioniert (siehe Abbildungen). 

     

     

    Anschließend erfolgte die Herstellung unserer  Testbatterien - natürlich mit der Verwendung der genannten Bindermaterialien. 

    Bevor es an das Testen ging, blieb noch ein Schritt aus: Wie erwähnt, wollten wir quervernetztes Chitosan als Bindermaterial testen. Beim quervernetzten Chitosan sind die einzigen Polymerketten durch Zugabe von Zitronensäure miteinander verbunden. adurch werden die einzelnen Polymere noch größer und stabiler. 

    Um zu schauen, ob diese quervernetzung durch Zugabe von Zitronensäure wirklich so stattgefunden hat, nutzten wir die Infrarot-Spektroskopie. 

    Das funktioniert folgendermaßen: Die einzelnen Chemikalien werden mit Infrarot-Licht verschiedener Wellenlängen bestrahlt. Die einzelnen Bindungen geraten dann in messbare Schwingungen. Da sich die Schwingungen bei einer bestimmten Wellenzahl immer  auf eine bestimmte Bindung zurückführen lässt, ist es so möglich, zu sehen, ob die gesuchte Bindung vorliegt. Wie erwartet hat die Quervernetzung des Chitosans stattgefunden. 

     

     Mit dieser Nachricht ging es dann weiter in die Testphase. Dazu schlossen wir die Batterien an einen Batterie-Tester an und ließen sie über 100 mal zyklisieren (ein Zyklus besteht immer in dem Laden-und Entladen einer Batterie).

    Währenddessen wurden sämtliche Messwerte von einem Computer erfasst. Zum einen, wie groß die Kapazität (die Anzahl der zur verfügung stehenden Ladungsträger) der jeweiligen Batterien ist, und zum anderen wie hoch die coulombische Effizienz (der Anteil der Ladungsträgern die man rauskriegt, von denen die man reinsteckt) ist.

    Dabei konnten wir feststellen, dass alle Batterien eine ähnliche, hohe coulombische Effizienz aufweisen. Die Entladekapazität der Batterien mit dem quervernetzten Chitosan ist am höchsten, und damit höher als bei den Batterien mit dem herkömmlichen, umweltschädlichen Bindermaterial PVdF.

    Anschließend haben wir getestet, inwiefern sich die verschiedenen Batterien für Schnell-Ladung eignen. Am besten schnitten dabei die herkömmlichen Batterien mit dem PVdF ab. Die Batterien mit dem quervernetzten Chitosan eignen sich (anders als das unveränderte Chitosan und die Erbsenstärke, sowie Na-CMC) auch für die Schnell-Ladung. 

    Neben der Kapazität der Batterien, interessierte uns aber noch etwas anderes. Nämlich wie gut die Binder das Aktivmaterial zusammenhalten und wie stabil die Batterie dadurch ist. Durch Nutzung der Raster-Elektroden-Mikroskopie haben wir uns deswegen die Oberfläche der Kathode angeschaut, wobei wir neben kleinen Rissen (wie auch bei den herkömmlichen Batterien) keine Auffälligkeiten feststellen konnten. 

     

    Rückschließend kamen wir also auf folgendes Ergebnis: Nicht quervernetzte Bio-Polymere wie native Erbsenstärke, Na-CMC und Chitosan erreichen nicht die Kapazität von PVdF-basierten Elektroden.Quervernetztes Chitosan zeigt eine verbesserte Performanz und hat das Potential, PVdF als Binder für Lithiummanganoxid (das Aktivmaterial auf der Kathode) bei geringerer Umweltbelastung zu ersetzen.Dabei ist natürlich zu bedenken, dass es eine Vielzahl an weiteren Tests und Untersuchungen erfordert, bis natürliches Chitosan in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden kann. 

    Alles in einem war der zweite Block des 2°Campus eine lehrreiche und spannende Zeit. Vielen Dank nochmal an dieser Stelle an unsere wissenschaftlichen Mentoren Jens Wrogemann und Sven Künne vom MEET (Münster Electrochemical Energy Technology), sowie an unseren Juniormentoren Marten und unsere WWF-Teamerin Laura!

     

    Ein Artikel von Liv Richter 

Kommentare

2 Kommentare
  • Matilda
    Matilda Klingt nach spannenden Forschungen. Mir fällt es immer noch schwerer, das zu verstehen und ich bin beeindruckt auf welche Ergebnisse ihr gekommen seid. Durch deinen Bericht blicke ich da schonmal eher durch
    17. Aug. - 1 gefällt das
  • SteffiFr
    SteffiFr Mir geht es ähnlich wie Matilda. :-)
    Über Zoom an der Forschungsfrage zu arbeiten, stelle ich mir schwierig vor, weil man ja zu Hause nicht gerade ein fertig eingerichtetes Labor zur Verfügung hat. Wie habt ihr das gemacht?
    Super, dass ihr trotzdem zu...  mehr
    17. Aug. - 1 gefällt das