Untersuchung der Tauglichkeit von Lignin und Ligninderivaten zur Verwendung in Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Wagner, Hans, Robert

doi:10.24355/dbbs.084-202006151207-0

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Untersuchung der Tauglichkeit von Lignin und Ligninderivaten zur Verwendung in Lithium-Ionen-Akkumulatoren

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In der vorliegenden Arbeit wurde der Naturstoff Lignin als modifizierbares Ausgangsmaterial zur Herstellung von Kathoden in Lithium-Ion-Zellen untersucht, wobei die Frage, ob das Material in primären und sekundären Zellen Verwendung finden kann, im Vordergrund stand. Um die natürlich vorhandene massenspezifische Kapazität des Lignins zu steigern, wurde an das Lignin eine Auswahl von Chinonen gekoppelt. Zur Herstellung der Materialien wurde dabei eine mikrowellenunterstützte Ullmann-Reaktion benutzt. Die physikalische Charakterisierung der Materialien erfolgte dabei mittels Infrarotspektroskopie, Elementaranalyse, Kernspinresonanzspektroskopie und OH Kennzahlen. Zur elektrochemischen Charakterisierung wurden Cyclovoltammetrie und Langzeitscans verwendet, wobei auch der Versuch unternommen wurde, elektrochemische Impedanzspektroskopie anzuwenden. Die physikalische Charakterisierung zeigte deutlich, dass die Anbindung der Chinone am Lignin gut umgesetzt werden konnte. Besonders bei der Kernspinresonanzspektroskopie wurde dies durch die spezifischen chemischen Verschiebungen der Protonen am Chinon nachgewiesen. Die elektrochemischen Untersuchungen zeigten sehr deutlich, dass eine Verwendung von Lignin in wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Batterien nicht möglich ist, da die Materialien kaum reversibles Verhalten zeigen. Jedoch konnte klar dargestellt werden, dass die Kopplung der Chinone am Lignin zu einer wesentlichen Steigerung der massenspezifischen Kapazität führte.

In the present work, the natural product lignin was investigated as a modifiable starting material for the production of cathodes in lithiumion cells, with the question of whether the material can be used in primary and secondary cells in the foreground. In order to increase the naturally occurring massspecific capacity of lignin, a selection of quinones was coupled to the lignin. For the preparation of the materials, a microwave-assisted Ullmann reaction was used. The physical characterization of the materials was carried out by means of infrared spectroscopy, elemental analysis, nuclear magnetic resonance spectroscopy and OH characteristics. For electrochemical characterization, cyclic voltammetry and longterm scans were used, and an attempt was also made to use electrochemical impedance spectroscopy. The physical characterization clearly showed that the attachment of quinones to lignin could be well implemented. Especially in nuclear magnetic resonance spectroscopy, this was demonstrated by the specific chemical shifts of the protons on the quinone. The electrochemical studies showed very clearly that it is not possible to use lignin in rechargeable lithium-ion batteries because the materials show hardly any reversible behavior. However, it could be clearly demonstrated that the coupling of quinones to lignin resulted in a substantial increase in mass-specific capacity.