Nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien für Energietransport und Energiespeicherung

Nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien ermöglichen aufgrund ihrer großen strukturellen Vielfalt (Fullerene (0D), Kohlenstoffnanoröhren (1D), Graphen und Graphenoxid (2D), Nanodiamanten (3D)), ihrer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit sowie ihrer mechanischen Stabilität und Flexibilität, einen gezielten Einsatz in vielen Bereichen des modernen Energiesektors. Insbesondere in den Anwendungsbereichen von Lithium-Ionen-Batterie, Lithium-Schwefel-Batterie und als Additive in Wärmeträgerflüssigkeiten (Nanofluide) können diese kohlenstoffbasierten Materialien eine Kernfunktion einnehmen.
Ausgehend von einer Oberflächenfunktionalisierung der Kohlenstoffnanostrukturen wurden thermisch leitfähige Nanofluide entwickelt. Durch die Erhaltung des graphitischen Kerns der eingesetzten Graphen-Nanoplättchen (GnPs) konnte ein effizienter Energietransport gewährleistet werden.
Für den Einsatz als Elektrodenmaterialien in LIBs wurde die Selbstanordnung dispergierter 2D-Graphenoxid-Flakes genutzt, um selbsttragende 3D-Film-Anoden herzustellen. Insbesondere durch die Modifikation der Film-Strukturen mittels chemischer Vorreduktion und Dotierung des Kohlenstoffgitters, konnten die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften der freistehenden Elektroden erheblich verbessert werden.
Darüber hinaus wurden Li2S/C-Komposit-Kathodenmaterialen für den Einsatz in Lithium-Schwefel-Batterien entwickelt. Die Formgebung der Komposit-Nanofasermaterialien erfolgte mit Hilfe des Elektrospinn-Prozesses, wobei eine Kohlenstoff-Ummantelung des nanoskaligen Aktivmaterials erzielt wurde. Dies ermöglicht eine große Oberfläche des Aktivmaterials bei gleichzeitig effektiver Anbindung des Li2S an die leitfähige Matrix.
Insgesamt verdeutlicht diese Arbeit die große Vielfalt und das enorme Potential nanostrukturierter Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in thermischen Nanofluiden, sowie in Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien.