The Potential of Lignocellulosic Materials for Supercapacitors and Hydrogen Storage: Activated Carbon Synthesis and Cellulose Separator Development

Abstract

Energy storage devices are in growing demand, driven by the transition towards a more sustainable future and the increasing use of electronic devices, increasing use of electric and hydrogen−powered vehicles, as well as renewable energy systems. However, energy storage devices are often linked with environmental concerns, as they may contain non−biobased and non−degradable components. This concern is addressed in the following dissertation by exploring the use of bio−based materials for supercapacitor electrodes, hydrogen storage materials and separators.

In a first phase optimized activation parameters for bio−based activated carbons were investigated using cellulose−chitosan IONCEL fibers as model precursors to achieve the best balance between surface area, pore size distribution and yield. Optimal conditions were identified with an activation temperature of 800 °C and pre−carbonized material−to−KOH ratio of 1:5. Industrial side streams from the coffee and sugar producing industries were subsequently activated under these conditions. Specific BET surface areas of up to 3,300 m2g−1 could be achieved, with pore size distributions favorable for hydrogen adsorption capacities of up to 2.8 wt.% at 1 bar and 5.8 wt.% at 37 bar, both measured at 77 K. Additionally, the microporous structures of the activated carbons significantly enhanced the performance of aqueous supercapacitors, achieving capacitances of up to 236 F g−1 (at 5 mV s−1). These results outperformed the benchmark material (YP80F) by approximately 100%. To increase the share of bio−based materials in supercapacitors, the aim was to produce cellulose−based separators while considering key design aspects. By incorporating microfibrillated cellulose into paper hand sheets, the thickness was reduced to below 40 μm, and pore sizes were adjusted to fulfill the requirements for supercapacitor separators. A crosslinking−approach using butanetetracarboxylic acid significantly enhanced the wet strength, increasing it by over 6,000%, while maintaining the dimensional stability under wet conditions. The electrochemical characterization demonstrated that the cellulose based separators perform comparable to that of commercial benchmark materials.

This dissertation highlights that bio−based materials are a sustainable resource and can reach parity with or even outperform commercial benchmarks. It offers a path for the development of more environmentally friendly energy storage technologies.

Der Übergang zu einer nachhaltigeren Zukunft, durch elektronische Geräte, alternativ angetriebene Fahrzeuge und erneuerbare Speichersysteme geht mit einer wachsenden Nachfrage nach Energiespeichern einher. Energiespeicher sind jedoch häufig mit ökologisch negativen Aspekten verbunden, da sie synthetische und/oder nicht abbaubare Komponenten enthalten können. Diesem Problem soll mit der folgenden Dissertation entgegengewirkt werden, indem die potentielle Verwendung von Biomaterialien in Superkondensatorelektroden, als Wasserstoffspeichermaterial und als Separator untersucht wird.

In einer ersten Phase wurden Aktivierungsparameter unter Verwendung von Cellulose−Chitosan IONCEL Regeneratfasern als Modellsubstanz für biobasierte Materialien systematisch optimiert, um ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen Oberfläche, Porengrößenverteilung und Ausbeute in der resultierenden Aktivkohle zu erreichen. Für Energiespeichersysteme optimale Aktivierungsparameter wurden mit einer Aktivierungstemperatur von 800 °C und einem Verhältnis des vorkarbonisierten Materials zu KOH von 1:5 ermittelt. Unter diesen Bedingungen wurden industrielle Nebenströme aus der Zucker und Kaffee verarbeitenden Industrie aktiviert. Dabei konnten Aktivkohlen mit spezifische BET−Oberflächen von bis zu 3,300 m2 g−1 erreicht werden, mit Porengrößenverteilungen, die für eine potentielle Wasserstoffspeicherung, wie auch für Superkondensatoren von Vorteil sind. Die erzeugten Kohlenstoffe waren zu einer Wasserstoffaufnahme von bis zu 2.8 Gew.-% bei 1 bar und 5.8 Gew.-% bei 37 bar (je bei 77 K) fähig. Darüber hinaus verbesserten die (ultra)mikroporösen Strukturen der Aktivkohlen die Leistung von wässrigen Superkondensatoren erheblich, wobei Kapazitäten von bis zu 236 F g−1 (bei 5 mV s−1) erreicht wurden. Diese Ergebnisse übertrafen jene des kommerziell erhältlichen Vergleichsmaterials (YP80F) um etwa 100%.

Um den Anteil an biobasierten Materialien in Superkondensatoren zu erhöhen, wurde unter Beachtung etwaiger Designaspekte die Herstellung von cellulosebasierten Separatoren angestrebt. Durch die Einarbeitung von mikrofibrillierter Cellulose in Laborblätter konnte die Dicke auf unter 40 μm reduziert und die Porengröße so angepasst werden, dass sie den Anforderungen für Superkondensator−Separatoren entspricht. Mithilfe von Butantetracarbonsäure wurden die Blätter quervernetzt. Die Nassfestigkeit konnte dabei um über 6,000% gesteigert, und die Dimensionsstabilität unter wässrigen Bedingungen gewährleistet werden. Die elektrochemische Charakterisierung zeigte, dass die Separatoren auf Cellulosebasis eine vergleichbare Leistung wie kommerzielle Referenzmaterialien erbringen.

Diese Dissertation unterstreicht, dass biobasierte Materialien nicht nur eine verfügbare Ressource darstellen, sondern auch in der Lage sind, mit kommerziellen Referenzmaterialien gleichzuziehen oder diese sogar zu übertreffen. Sie soll eine breite Basis für zukünftige Entwicklungen umweltfreundlicherer Energiespeichertechnologien bilden.