Forschungsfrage: Welchen Einfluss haben nachhaltige Silizium-Quellen auf die Anode von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation?

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1 Forschungsfrage: Welchen Einfluss haben nachhaltige Silizium-Quellen auf die Anode von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation? Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität des 2 Campus 2018 WWF Deutschland Universität Münster Sommer 2018

2 Gliederung 1. Einleitung -Status quo -Funktionsweise einer LIB -Herleitung der Forschungsfrage 2. Forschungsfrage & Autor*innen 3. Methoden & Durchführung -Aufbereitung der Sand- & Glasprobe -Isolierung des Siliziums -Herstellung der Elektroden -Herstellung und Test der T-Zellen 4. Auswertung und Ergebnisse -X-ray diffraction -Elektronenmikroskop -Elektrochemische Auswertung 5. Fazit und Ausblick 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

3 Status quo Diesel- Fahrverbot! Die Entwicklung der NOₓ Emissionen weicht in der Realität stark von den eingeführten Euro-Normen ab Die maximale Reichweite eines: Autos mit Verbrennungsmotor Elektroautos 550km 1000km 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

4 Funktionsweise einer LIB Kupfer Stromableiter Graphen- Schicht SEI Separator CEI Kathode Lithium Elektrolyt Ion Aluminium Stromableiter 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

5 Herleitung der Forschungsfrage Anode, Kathode und Elektrolyt mit Potential zur Optimierung Anode: mögliche Erhöhung der Kapazität durch Verwendung alternativer Aktivmaterialien Stand der Technik 6 C Kohlenstoff 372 mah/g 756 mah/cm 3 Kapazität ca. x10 Alternativmaterial 14 Si Silizium 3579 mah/g 2190 mah/cm 3 Silizium in Reinform: Häufig verwendetes Material für moderne Technologien Idee: Gewinnung des Siliziums aus nachhaltigen Quellen Seesand (klassische Quelle) Glasabfälle (nachhaltige Alternativquelle) 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

6 Forschungsfrage & Autor*innen Forschungsfrage: Welchen Einfluss haben nachhaltige Silizium- Quellen auf die Anode von Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation? Forschungsteam: Pia Hesper, Emma Beyer, Matilda Upmeier zu Belzen, Jamal Lkhaouni, Leonie Schübel, Annika Jäger Wissenschaftliche Mentoren: Peer Bärmann, Jan-Patrick Schmiegel Quelle: WWF/ Arnold Morascher Junior-Mentorin: Johanna Finkeldey Teamer: Simon Busch 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

7 Methoden & Durchführung Aufbereitung der Sand- & Glasprobe Mörsern Waschen mit HCl (Salzsäure) Quelle: WWF/Arnold Morascher Quelle: Pia Hesper Isolierung des Siliziums Magnesiumreaktion zur Gewinnung elementaren Siliziums SiO 2 + 2Mg Si + 2MgO 600 C Entfernung des Magnesiumoxids mittels HCl MgO + 2HCl MgCl 2 + H 2 O Auswaschen des Magnesiumchlorids mittels Wasser/Ethanol 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

8 Methoden & Durchführung Herstellung der Elektroden 50 µm Schichtdicke 12 mm Durchmesser Silizium-Anteil 10% 15% 20% Kapazität 700 mah/g 850 mah/g 1000 mah/g Bei steigender Ladung nimmt das Siliziumvolumen stark zu. Diese Ausdehnungen beschädigen die Anodenstruktur der LIB, verringern die Kapazität und damit die Zyklenzahl. Quellen: Pia Hesper; Emma Beyer 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

9 Methoden & Durchführung Quelle: Emma Beyer Herstellung der T-Zellen im Trockenraum Aufteilung: 2x Seesand 2x Glasabfall 2x Referenz Quelle: WWF/Arnold Morascher Anschließen der T-Zelle Testen: Folge von Ladezyklen bis Zelltod 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

10 X-ray diffraction War die Synthese erfolgreich? XRD: Beugung von Röntgenstrahlen an kristallinen Strukturen Zusammensetzung der kristallinen Bestandteile einer Probe Quelle: eigene Darstellung Sand: geringe Verunreinigungen; hoher SiO 2 -Anteil Glasabfall: starke Verunreinigungen; niedrigerer SiO 2 -Anteil Beide: nach Reduktion Vorhandensein von Silizium, trotzdem noch Siliziumdioxidanteile (keine vollständige Reaktion) 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

11 - Homogenität der Größenverteilung Ähnliche Morphologie Elektronenmikroskop Ausgangsmaterial + Produkt Glasabfall Seesand - Größe der Oberfläche + 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

12 Elektrochemische Auswertung Zyklennummer 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

13 Fazit und Ausblick Fazit: Es ist möglich, LIBs der neuen Generation mithilfe von Silizium aus nachhaltigen Siliziumquellen im Anodenmaterial zu betreiben. Hierbei ist die Verwendung von recycelten Glasabfällen besonders nachhaltig. Ausblick: Optimierungsbedürftig, um den Standard zu erreichen Erhöhung der Reinheit des Siliziums durch Umfangreichere Waschschritte Höhere Zugabe von Magnesium (vollständige Reaktion) Verkleinerung der Partikelgröße Nachbearbeitung des Siliziums Welchen Beitrag leistet unsere Forschung? Durch die schrittweise Steigerung des Siliziumanteils in den Anoden von LIBs steigt die Reichweite der E-Autos, die somit attraktiver werden. Unsere Forschung zeigt auch, dass großes Potential auch in nachhaltigen Siliziumquellen liegt. 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

14 Kontakt & Dank MEET Batterieforschungszentrum Peer Bärmann, Jan-Patrick Schmiegel Corrensstraße Mu nster WWF Deutschland Forschungsteam Wir bedanken uns herzlich fu r die Unterstu tzung! 2 Campus: Ergebnisse des Forschungsteams Mobilität Sommer 2018

15 Vielen Dank! Quelle: Pia Hesper