Produktion und Charakterisierung von Biopolymeren zur Anwendung in elektrochemischen Energiespeichern

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Beschreibung

Im Zuge der Transformation vom fossilen Zeitalter hin zu einem auf erneuerbaren Energien beruhenden, steigen auch die Ansprüche an in Produktionsprozessen verwendete Materialien im Hinblick auf Kreislauffähigkeit und Umweltfreundlichkeit. Dies gilt ebenso für elektrochemische Energiespeicher wie Li-Ionen-Batterien, die unter Verwendung von Biopolymeren an Leistungsvermögen und Nachhaltigkeit gewinnen können. Diese Dissertation widmet sich daher der Herstellung und Untersuchung von Biopolymeren als Binder in Li-Ionen- oder Separator in Ni-Zn-Batterien sowie am Beispiel bakterieller Cellulose (BC) auch der Verwendung von Sekundärrohstoffen zur Produktion eines in Stoffkreisläufe eingebundenen Biopolymers. Im ersten Teil der Arbeit wurde anhand der biotechnologisch produzierten und als Binder eingesetzten Biopolymere γ-Polyglutaminsäure und Sphingan PS-EDIV der Einfluss rheologischer Unterschiede auf die Prozessierbarkeit von Graphit-Anoden aufgezeigt. Mit verzweigten, Polysaccharid-basierten Biopolymeren konnten dabei höhere mechanische Haftfestigkeiten für die produzierten Anoden erzielt werden als dies für lineare Biopolymere der Fall war. Die Ladung und Entladung der gefertigten Anoden resultierte für die untersuchten Biopolymere in höheren, jedoch noch leicht fluktuierenden gravimetrischen Kapazitäten im Vergleich zu Referenz-Polymeren wie Polyvinylidendifluorid oder Xanthan. Am Beispiel der biotechnologischen BC-Produktion konnte im zweiten Teil der Arbeit durch Kombination der Sekundärrohstoffe Melasse, Vinasse und Bier-Resten gezeigt werden, dass ausgehend von 1,7 g L⁻¹ BC im Referenzmedium die Konzentrationen auf bis zu 8,1 g L⁻¹ gesteigert werden können. Dabei begünstigte insbesondere die Synergie mehrerer Inhaltsstoffe eine höhere Produktivität. Je nach Sekundärrohstoff konnten dabei auch das Molekulargewicht oder die Kristallinität der BC beeinflusst werden. Die somit ermöglichte nachhaltige Produktion des Biopolymers erlaubte im letzten Teil der Dissertation den Einsatz von BC im Vergleich zu Glasfaser als Separator-Material in Ni Zn-Batterien. Die Untersuchung zeigte eine Verringerung Zinkat-Migration von der Zn-Anode zur Kathode auf, jedoch bewirkte die geringere Elektrolyt-Aufnahme der entwickelten BC-Separatoren einen etwas schnelleren Kapazitätsrückgang, dem jedoch durch die Optimierung des BC-Herstellungsprozesses beigekommen werden könnte. Insgesamt leisten die Ergebnisse dieser Arbeit einen Beitrag für ein besseres Verständnis der biotechnologischen Beeinflussung von Polymer-Eigenschaften und deren Wechselwirkung mit den Ansprüchen elektrochemischer Energiespeicher.