28.08.2019 - National University of Science and Technology MISiS

Gefährliche Wildpflanze für die Verwendung in Batterien?

Wissenschaftler haben Bärenklau in ein Material für einen Superkondensator verwandelt

Bärenklau, der über weite Teile Russlands verbreitet ist, kann als Material für Batterien nützlich sein. Wissenschaftler von NUST MISISIS haben die Möglichkeiten von faserigen Substanzen in den Pflanzenstämmen untersucht und sie in Elektroden verwandelt. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die behandelte gefährliche Pflanze traditionelle Energiequellen erfolgreich ersetzen kann, ohne die Qualität der Batterien zu beeinträchtigen.

Superkondensatoren sind Speichergeräte. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Batterien durch ihre hohe Leistung, lange Haltbarkeit und lange Lebensdauer. Diese Eigenschaften erklären sich zum Teil dadurch, dass Aktivkohle mit einer hoch entwickelten Oberfläche mit einer großen Anzahl von Poren unterschiedlicher Größe als Elektrodenmaterial dienen. Diese Poren sorgen für eine Vergrößerung der Fläche der Elektroden, von der das maximale Volumen der akkumulierten Ladung direkt abhängt. Wissenschaftler versuchen derzeit, Kohlenstoffmaterialien aus verschiedenen pflanzlichen Rohstoffen zu erhalten, insbesondere aus landwirtschaftlichen Abfällen - aus Kokos-, Mandel- und Walnussschalen, Hülsen, die nach der Getreideverarbeitung übrig bleiben, etc.

Forscher von NUST MISISIS haben vorgeschlagen, dass die optimalen Elektrodeneigenschaften in Stämmen von Bärenklau zu finden sind. Sie bestehen aus einer festen Rinde und einem weichen inneren Kern, ähnlich einem Schwamm, der eine vielfältige poröse Struktur bildet. Diese Konstruktion eignet sich hervorragend für die Verwendung von Kohlenstoffmaterial als Elektrodenbasis für Superkondensatoren. Um aus Bärenklau-Stämmen ein Material zu machen, das sich für den Einsatz als Elektrode eignet, war es notwendig, die für sie optimale Verarbeitungstechnologie zu finden.

Die trockenen Stängel des Bärenklau wurden in etwa einen Zentimeter lange Stäbe geschnitten. Um die verschiedenen anorganischen Verbindungen, die in den Stielen enthalten sind, zu entfernen, wurden sie anschließend mit Salzsäure behandelt, gewaschen und getrocknet. Um ein Kohlenstoffmaterial zu erhalten, wurden zerkleinerte Bärenklau-Stängel bei einer Temperatur von 400°C mit Kohlendioxid gesättigt. In der nächsten Stufe wurde das erhaltene Material mit Kaliumhydroxid gemischt und aktiviert, d.h. die entstandenen Poren wurden in einer Argonatmosphäre bei verschiedenen Temperaturen geöffnet.

Die Verarbeitung des primären Kohlenstoffmaterials bei einer Temperatur von 900°С führte zur Bildung einer Oberfläche mit einer großen Anzahl von Poren von 2-4 nm Größe.

"Der Hauptparameter des Superkondensators ist die Kapazität, d.h. ein Maß für die Fähigkeit, eine elektrische Ladung zu akkumulieren", erklärt Oleg Levin, außerordentlicher Professor am Institut für Elektrochemie der St. Petersburg State University. "Die aus den Stängeln des Bärenklau gewonnene Kapazität ist auf dem gleichen Niveau wie die aus den anderen Materialien gewonnene Kapazität. Bei der Verwendung von z.B. Graphen wird sie natürlich höher sein. Die Verwendung von pflanzlichen Reststoffen zur Herstellung von Aktivkohle ist jedoch zweifellos ein globaler Trend. Aus dieser Perspektive ist die Arbeit der Wissenschaftler vielversprechend und verdient Aufmerksamkeit".

Der Projektleiter, der Leiter der Abteilung für Physikalische Chemie am NUST MISISIS Professor Mikhail Astakhov, betont jedoch, dass die Verwendung von Bärenklau-Stielen für die kontinuierliche Herstellung von Elektroden auf große Schwierigkeiten stoßen kann. Um Rohstoffe zu erhalten, müsste man durch das ganze Land reisen, die Pflanze abschneiden und zum Unternehmen bringen, da es unvernünftig ist, Saatflächen für eine gefährliche Wildpflanze zu schaffen. Früher oder später können die Reserven des "wilden" Bärenklau erschöpft sein. In diesem Fall wird die für ihre Verarbeitung geschaffene Technologie einfach nicht benötigt.

Andererseits nehmen derzeit die mit mächtigen Bärenklau bedeckten Flächen, die die Entwicklung anderer auf den Boden gefallener Samen hemmen, nur noch zu.

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