Carbonized lignin for energy storage solutions

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-15

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

49

Series

Abstract

Technological development and digitalization have increased the demand for rechargeable batteries and battery materials. However, their production requires finite and fossil-based resources. This growing demand for finite materials combined with environmental concerns is driving the need for greener technologies. Lignin, the second most abundant biopolymer on Earth, is a major sidestream in the pulp and paper industry. Annually, 40–100 million tons of carbon-rich lignin is produced, 98% of which is burned for energy. Besides energy production, lignin can be utilized in chemicals and biofuels, and additionally, lignin could replace other carbon-based materials. A possible application for lignin is as a battery anode. The anode is a vital negative battery component. In addition to electrochemical properties, important material characteristics of an anode include an ordered and porous structure. Currently, graphite is the most commonly used anode material. Graphite is produced by refining fossil-based, carbon-rich materials such as crude oil. Therefore, carbon-rich lignin could be synthesized into a suitable anode material alternative, making batteries greener. This bachelor thesis investigates lignin and its suitability and modification into battery anode material. The thesis consists of a literature review and an experimental section. Graphite is produced through graphitization, which is a form of high heat treatment, performed typically around 2000 °C. Lignin is biochar, which, as a result of heat treatment, even in high temperatures, does not graphitize adequately. Instead, heat-treated lignin is carbonized and decomposed into carbon. Therefore, catalytic graphitization has been proposed as a solution to lignin’s inability to graphitize as required as an anode material. In catalytic graphitization, dry, powdered biomass is impregnated with a metal catalyst before heat treatment. This process has been shown to make the structure of biochar more ordered and porous. Currently, catalytic graphitization has been studied mainly with biomass other than lignin. Therefore, this thesis explores the catalytic graphitization of lignin. The goal was to determine whether lignin can be modified through catalytic graphitization and whether the product is biochar suitable as an anode material. In the experimental work, lignin was impregnated with iron(III)acetylacetonate catalyst, followed by carbonization at 800 °C. The results obtained from lignin were compared to similarly treated pre-carbonized lignin as well as peat-based carbon, Darco that functioned as a fossil-based reference in the experimental work. Iron particle residues from the catalyst were removed with acid washing. The porosity and surface area of the samples were analyzed using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Barret-Joyne-Halenda (BJH) methods, and the graphitization was examined using X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The experimental work showed that lignin’s porosity was modified, and the graphitic-like structure was enh nced. Especially the degree of graphitization of lignin samples increased with acid washing. In the future, lignin biochar could be utilized as battery-grade anodes. However, the catalytic graphitization of lignin still requires optimization. A higher treatment temperature could increase the graphitization degree. Acid washing negatively affected the surface properties of the samples and the effects of catalyst particles on electrochemical properties are unknown. However, the development of ligninbased battery technology could reduce dependence on fossil materials and further circular economy.

Teknologian kehitys ja digitalisaatio ovat kasvattaneet akkujen ja akkumateriaalien kysyntää, mutta monet materiaalit perustuvat ehtyviin fossiilisiin luonnonvaroihin. Ehtyvien materiaalin kasvava kysyntä sekä huoli ympäristöstä lisäävät tarvetta vihreille teknologioille. Ligniini, maapallon toiseksi yleisin biopolymeeri, on sellu- ja paperiteollisuuden merkittävä sivuvirta. Vuosittain hiilirikasta ligniiniä tuotetaan 40–100 miljoonaa tonnia, mutta 98 % poltetaan energiaksi. Polttamisen lisäksi ligniiniä voidaan hyödyntää esimerkiksi kemiakaaleissa ja biopolttoaineissa, joiden lisäksi ligniini voisi korvata muitakin hiilimateriaaleja. Yksi mahdollinen käyttökohde ligniinille on akkujen negatiivinen komponentti eli anodi. Anodin elektrokemiallisten ominaisuuksien lisäksi tärkeitä materiaaliominaisuuksia ovat järjestäytynyt ja huokoinen rakenne. Grafiitti on käytetyin anodimateriaali, jota valmistetaan jatkojalostamalla fossiilisia, hiilirikkaita materiaaleja kuten raakaöljyä. Täten hiilirikkaasta ligniinistä olisi siitä mahdollista syntetisoida grafiittia korvaava anodimateriaali, joka tekisi akuista vihreämpiä. Tämä kandidaatintyö tutki ligniiniä ja sen muokkaamista anodimateriaaliksi. Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta sekä kokeellisesta osuudesta. Grafiittia valmistetaan grafitisaatiolla eli lämpökäsittelyllä 2000 ⁰C. Ligniini on biohiiltä, joka lämpökäsittelyn seurauksena ei grafitisoidu vaan hajoaa hiileksi eli hiiltyy. Ratkaisuksi ligniinin kyvyttömyyteen grafitisoitua on esitetty katalyytistä grafitisaatiota, jossa kuiva ja jauhettu biomassa kyllästetään metallikatalyytillä ennen varsinaista lämpökäsittelyä. Tämän käsittely tekee biohiilestä järjestäytyneemmän ja huokoisemman. Tällä hetkellä katalyyttista grafitisaatiota on tutkittu lähinnä muilla biomateriaaleilla kuin ligniinillä. Tästä syystä kandidaattityön tutki ligniinin katalyyttista grafitisaatiota. Tavoiteena oli selvittää voidaanko ligniiniä muokata katalyyttisella grafitisaatiolla, ja saadaanko tuloksena anodimateriaaliksi kelpaavaa biohiiltä. Kokeellisessa työssä ligniiniä kyllästettiin rauta(III)asetyyliasetonaatti-katalyytillä, jonka jälkeen sitä hiillostettiin 800 ⁰C. Ligniinillä saatuja tuloksia verrattiin samanlailla käsiteltyyn esihiillostettuun ligniiniin sekä ruskohiileen. Ruskohiili toimi kokeen fossiilipohjaisena referenssinä. Rautakatalyyttijäämät poistettiin lämpökäsittelyn jälkeen happopesulla. Näytteiden huokoisuutta ja pintaala analysoitiin Brunauer-Emmet-Teller (BET) ja Barret-Joyne-Halenda (BJH) -menetelmillä ja järjestäytynyttä rakennetta röntgensäde diffraktiolla (engl. X-ray diffraction, XRD) ja Raman spektroskopialla. Kokeellinen työ osoitti, että ligniiniä huokoisuutta voidaan muokata ja järjestynyttä rakennetta lisätä. Etenekin ligniiniä sisältävien näytteiden grafitaatioaste parani happopesun seurauksena. Tulevaisuudessa ligniinistä voitaisiin muokata korkealaatuista anodimateriaalia katalyyttisellä grafitisaatiolla. Kuitenkin ligniinin katalyyttista grafitisaatiota tulee vielä optimoida. Esimerkiksi grafiittista rakennetta voisi edistää korkeammalla käsittelylämpötilalla. Lisäksi happopesu heikensi joidenkin näytteiden pintaominaisuuksia, eikä katalyyttijäämien vaikutusta elektrokemiallisiin ominaisuuksiin tunneta tarpeeksi tarkasti. Kuitenkin ligniiniä hyödyntävän akkuteknologian kehittyminen voisi vähentää riippuvuutta fossiilisista materiaaleista ja edistää kiertotaloutta.

Description

Supervisor

Hiltunen, Eero

Thesis advisor

Robertson, Daria

Keywords

lignin, activated biochar, rechargeable battery, circular economy

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202502252572

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM