Page 20 - ITM Jahresbericht 2020

Jahresbericht 2020

Entwicklung maßgeschneiderter Polymere und Präkursoren für
multifunktionale Kohlenstofffasern / Nachwuchsforschergruppe e-Carbon
Development of tailor-made polymers and precursors for
multifunctional carbon fibers / Junior research group e-Carbon

M. Richter, I. Kruppke, Ch. Cherif

Abstract in die Fasern zu integrieren. Die dabei erzeugten
Poren wurden hierarchisch maßgeschneidert und
Carbon fibers (CF) are known for their excellent interkonnektierend bis in den Faserkern ausgebil-
combination of high-strength, stiff mechanical det. Durch einen neuartigen Faserstabilisierungspro-
properties as well as chemical resistance at com- zess konnten diese Porensysteme über den gesam-
paratively low weight. However, due to their com- ten Herstellungsprozess bis in die CF überführt
plex production, CF are mainly used in cost-in- werden. Anschließend wurden die porösen CF als
tensive high-end applications, e.g. in aerospace, lasttragende Aktivoberfläche für Lithium-Schwefel
automotive and mechanical engineering. Accord- (Li S)-Kathodenmaterialien und unter Verwendung
ing to the scarcity of fossil raw materials and the von neuartigen Elektrolytsystemen erprobt. Die
advancing climate crisis, lightweight construction dabei ablaufenden skalenübergreifenden Struktur-
concepts from renewable raw materials offer inno- bildungsmechanismen wurden interdisziplinär am
vative approaches to face this problematics. For ITM, am Institut für Leichtbau und Kunststofftech-
their successful realization, there is considerable nik (TUD) und an der Professur für anorgan. Che-
interest in innovative material and process devel- mie I (TUD) erforscht. Resultierend wurde die Ent-
opments, which lead inexpensive and versatile or wicklung multifunktionaler CF für Strukturbatterien
highly specialized multifunctional CF. und damit eine neuartige Verknüpfung der Hoch-
technologiefelder Leichtbaukonstruktion und Ener-
Einleitung giespeicherung realisiert.
Kohlenstofffasern (engl. carbon fibers, CF) sind seit
langem bekannt für die hervorragende Kombinati-
on von hochfesten und steifen mechanischen Eigen-
schaften sowie chemischer Beständigkeit bei ver-
gleichsweise geringem Gewicht. CF kommen jedoch
bisher aufgrund ihrer komplexen Herstellung vor
allem in kostenintensiven High End-Anwendungen
z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeug- und
im Maschinenbau zum Einsatz. Vor dem Hinter-
grund der Verknappung fossiler Rohstoffe und der
voranschreitenden Klimakrise bieten Leichtbaukon-
zepte aus nachwachsenden Rohstoffen innovative Abb. 1: Polyacrylnitril und ligninbasierte Präkursorfaser /
Lösungsansätze. Für deren erfolgreiche Realisierung Polyacrylonitrile and lignin-based precursor fibers
besteht ein beträchtliches Interesse an innovativen
Material- und Prozessentwicklungen, die zur Herstel- Im Zentrum der innovativen CF-Entwicklung stand
lung günstiger und vielseitiger bzw. hochspezialisier- das tiefgründige Verständnis der Prozess-Struk-
ter multifunktionaler CF dienen. tur-Eigenschafts-Beziehungen über die gesamte
Prozesskette, von den Rohstoffen bis zum funkti-
Projekt e-Carbon onstüchtigen CF-Batterieprototyp. Die Darstellung
poröser Polyacrylnitril (PAN)-Präkursorfasern wurde
Massentaugliche CF sind nicht direkt herstellbar, unter Zuhilfenahme verschiedener nachwachsender
sondern werden aus polymeren Präkursoren (Vor- porenbildender Polymere, wie Lignin (siehe Abb. 1)
läufern) und anschließenden thermischen Konver- und universell für verschiedene Lösungsmittelsyste-
tierungsschritten erhalten. Bis heute werden kom- me (z. B. Dimethylsulfoxid/Wasser) entwickelt. Dabei
merzielle CF fast ausschließlich aus erdölbasierten wurden sowohl strukturierte als auch poröse Prä-
Präkursorfasern hergestellt und besitzen überwie- kursoren mit Oberflächen von bis zu 75 m²/g erhal-
gend lastragende Funktionen. Im Projekt „e-Car- ten (siehe Abb. 2). Durch ein neuartiges Stabilisie-
bon“ (2017–2020) wurden unter Leitung des ITM rungsverfahren, die chemische Dekomposition der
grundlegende Forschungs- und Entwicklungsarbei- Additive sowie die gezielte porenbildende Steue-
ten durchgeführt, um den Einsatz von nachwach- rung der thermo-mechanischen Umwandlung zur CF,
senden Rohstoffen sukzessive zu erhöhen und dar- konnten die Porenflächen auf über 200 m²/g, unter
über hinaus bereits während des Präkursorspinnens Aufrechterhaltung der mechanischen Fasereigen-
eine hohe Oberfläche als zusätzliche Funktionalität schaften, erhöht werden.

18