Hetero-Aggregation von kolloidalem Silika und Carbon Black in einer Flamme
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Frank Rhein
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Nanopartikel sind in industriellen Produkten allgegenwärtig, da sie materialeigene physikalisch-chemische Eigenschaften mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis kombinieren. Diese Eigenschaften werden durch das funktionelle Mischen mit anderen Nanopartikeln ergänzt. Hierdurch bilden sich Heterokontakte an der Grenzfläche zwischen beiden Materialien aus, die für die gewünschten funktionellen Eigenschaften der Mischung von grundlegender Bedeutung sind. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung von maßgeschneiderten Hetero-Aggregaten für Batterieanwendungen. In Batterien sorgt ein Gemisch aus mehreren Komponenten, darunter Aktivmaterialien, polymere Binder und Carbon Black, für eine effiziente Energiespeicherung. Fein dispergiertes Carbon Black erzeugt dabei elektronisch leitfähige Pfade, welche die normalerweise nichtleitenden Aktivmaterialpartikel vernetzen. Jedoch führen Verformung und Bruch des Carbon Blacks während der Batterieherstellung zu einer Verschlechterung der endgültigen Leitfähigkeit. Daher untersucht dieses Projekt die Stabilisierung von Carbon Black durch Heteroaggregation mit Siliziumdioxid in Spray-Flammen.
Die Charakterisierung des Heterokontakts und der daraus resultierenden Mischgüte der Heteroaggregate stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Daher ist die Entwicklung einer umfassenden Bildanalyse der Mischgüte in Kombination mit einer detaillierten Partikelanalyse vorgesehen. Die Kombination beider Methoden liefert umfassende Informationen auf allen relevanten Längenskalen, was zu einem grundlegenden Verständnis der Wechselwirkung zwischen Mischgüte und Aggregateigenschaften führt. Dieses Verständnis ist von entscheidender Bedeutung, um anschließend aufwändig zu bestimmende Metriken wie die Mischgüte direkt aus einfachen Messungen abzuleiten, ohne dass zeitintensive TEM-Analysen vonnöten sind. Darüber hinaus stellt das Wissen über die Mischgüte einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur direkten Charakterisierung des Heterokontakts mittels Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) dar. Weiterhin untersucht das Projekt Materialfunktionen, die für den Herstellungsprozess von Batterien und die elektrochemische Leistung relevant sind und bringt diese in Bezug zum Heterokontakt und den Prozessbedingungen. Folglich werden die Forschungsbereiche des "Herstellung und Bildung von Hetero-Aggregaten" und "Charakterisierung der Heterokontakte und ihrer Materialfunktionen" abgedeckt. Schlussendlich, erweitert der umfassende Einblick in die Quantität und Qualität der Heterokontakte das grundlegende Verständnis vom Zusammenspiel zwischen Aggregateigenschaften, funktionellen Eigenschaften sowie den daraus resultierenden Materialfunktionen.