Biowaste-based carbons as anode materials for energy applications

Abstract

Production of lithium-ion batteries is constantly increasing in the world. Research related to more sustainable applications is necessary to manage production of emissions and utilize industrial side streams. In this bachelor thesis, dewatered sewage sludge was investigated as an alternative precursor for anode material for lithium-ion batteries. Research was conducted through literature review and laboratory experiments.

The literature review briefly discussed the principle of lithium-ion batteries and possible cathode material alternatives and investigated the characteristics of anode material in more detail. It was found that to form a high-performance lithium-ion battery, high specific surface area and heterogeneous pore size distribution are desired properties for activated carbon used as an anode material. It was also stated that chemical activation of carbon provides material with higher porosity.

Two samples were examined in the laboratory: sample created purely from sewage sludge and sample created from sewage sludge and chemically activated with ZnCl2. Samples went through pyrolysis and acid wash prior characterization with FESEM-EDS and BET analysis. Chemically activated carbon sample showed more desired characteristics with purer chemical composition, more visible porosity and higher specific surface area and pore volume.

Samples were used to prepare electrode slurries for anode materials. Ten lithium-ion batteries were assembled: five of which had the non-activated sample as the active component in the anode and five of which had the chemically activated sample as the active component in the anode. Batteries containing chemically activated carbon resulted in higher initial specific discharge capacity, but the capacity decreased significantly when using higher C-rates. Results obtained from research provided opportunities for further research.

Litiumioniakkujen tuotanto kasvaa jatkuvasti maailmassa. Tutkimustyö kestävämpiin ratkaisuihin liittyen on välttämätöntä tuotannosta aiheutuvien päästöjen hallitsemiseksi ja teollisuuden sivuvirtojen hyödyntämiseksi. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin kuivatun jätevesilietteen käyttämistä vaihtoehtoisena anodimateriaalina litiumioniakuissa. Tutkimus toteutettiin kirjallisuuskatsauksen ja laboratoriomittausten kautta.

Kirjallisuuskatsauksessa kerrottiin lyhyesti litiumioniakkujen toimintaperiaatteesta ja mahdollisista katodimateriaalivaihtoehdoista, sekä tutkittiin syvällisemmin anodimateriaalin ominaisuuksia. Havaittiin, että tehokkaan litiumioniakun valmistuksessa suuri ominaispinta-ala ja heterogeeninen huokosjakauma ovat haluttuja ominaisuuksia anodimateriaalina käytetylle aktiivihiilelle. Todettiin myös, että hiilen kemiallinen aktivointi tuottaa materiaalia, jolla on suurempi huokoisuus.

Laboratoriossa tutkittiin kahta näytettä: vain jätevesilietteestä valmistettua näytettä sekä jätevesilietteestä valmistettua näytettä, joka aktivoitiin kemiallisesti sinkkikloridilla. Näytteet pyrolysoitiin ja pestiin hapolla ennen FESEM-EDS ja BET karakterisointia. Kemiallisesti aktivoitu näyte sisälsi enemmän haluttuja ominaisuuksia, kuten puhtaamman kemiallisen koostumuksen, enemmän nähtävää huokoisuutta sekä suuremman ominaispinta-alan ja huokostilavuuden.

Näytteitä käytettiin anodimateriaalien elektrodilietteiden valmistukseen. Kymmenen litiumioniakkua valmistettiin: viisi, joilla oli aktivoimaton näyte anodin aktiivisena komponenttina ja viisi, joilla oli kemiallisesti aktivoitu näyte anodin aktiivisena komponenttina. Akut kemiallisesti aktivoidulla anodilla antoivat korkeamman ensimmäisen ominaispurkukapasiteetin, mutta kyseinen kapasiteetti oli huomattavasti pienempi käytettäessä suurempia C-arvoja. Tulokset antavat pohjan jatkotutkimuksen suorittamiselle.