@phdthesis{Settelein2020,
  author    = {Settelein, Jochen},
  title     = {Kohlenstoffadditive f{\"u}r negative Elektroden von modernen Blei-S{\"a}ure Batterien},
  doi       = {10.25972/OPUS-21098},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-210986},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {In vorliegender Dissertation wurde die Wirkweise von Kohlenstoffadditiven auf die verbesserten Ladeeigenschaften negativer Blei-Kohlenstoff Elektroden untersucht, wodurch ein wichtiger Beitrag f{\"u}r die Weiterentwicklung modernen Blei-S{\"a}ure Batterien geliefert wurde. Neben der Aufkl{\"a}rung der elektrochemischen Prozesse an Kohlenstoffoberfl{\"a}chen, trug die Arbeit dazu bei, das Verst{\"a}ndnis hinsichtlich der Rolle des Kohlenstoffs zur Erh{\"o}hung der dynamischen Stromaufnahme zu vertiefen und eine Messmethodik zur Bestimmung der Blei-Affinit{\"a}t von Graphitpulver zu entwickeln. Die wichtigsten Erkenntnisse dieser drei Themenfelder werden an dieser Stelle noch einmal zusammengefasst. Elektrochemische Untersuchungen an amorphem Kohlenstoff: Um ein grunds{\"a}tzliches Verst{\"a}ndnis {\"u}ber die elektrochemische Aktivit{\"a}t von Kohlenstoff in verd{\"u}nnter Schwefels{\"a}ure zu erhalten, wurden in Kapitel 4 die elektrochemisch ablaufenden Reaktion an der Phasengrenze Kohlenstoff/verd{\"u}nnte Schwefels{\"a}ure bestimmt und diskutiert. Als Messmethode diente eine rotierende Scheibenelektrode aus glasartigem Kohlenstoff. Im Gegensatz zu inerten, metallischen Elektroden, zeigte sich an glasartigem Kohlenstoff ein deutlich komplexeres Verhalten. Die Kohlenstoffoberfl{\"a}che ver{\"a}ndert sich in Abh{\"a}ngigkeit des anliegenden Potentials signifikant. F{\"u}r Potentiale {\"u}ber 1,0 V vs. RHE findet eine Oxidation des Kohlenstoffs statt und eine Zersetzung zu CO2. Diese Ver{\"a}nderungen haben wiederum Auswirkungen auf alle anderen elektrochemisch ablaufenden Reaktionen. So wurde durch umfassende zyklovoltammetrische Untersuchungen und mithilfe der differentiellen elektrochemischen Massenspektroskopie erstmals nachgewiesen, dass die Wasserstoffentwicklung durch kurzzeitige Oxidation des Kohlenstoffs signifikant unterdr{\"u}ckt werden kann. Zus{\"a}tzliche {\"U}berspannungen von {\"u}ber einem Volt legen den Verdacht nahe, dass die Adsorption von Protonen verhindert wird und die Zersetzung des Elektrolyten erst durch Radikalbildung bei extremen Potentialen unter 2,0 V vs. RHE stattfindet. Zuk{\"u}nftig l{\"a}sst sich dieser Effekt m{\"o}glicherweise dazu einsetzen, die Nebenreaktion in Blei-S{\"a}ure Batterien gezielt zu verringern . Struktur-Eigenschafts-Beziehung zwischen externer Kohlenstoffoberfl{\"a}che und dynamischer Stromaufnahme: Im Anschluss an die elektrochemische Analyse der reinen Kohlenstoffelektrode wurde in Kapitel 5 die Struktur-Eigenschafts-Beziehung von amorphem Kohlenstoff auf die elektrochemische Aktivit{\"a}t negativer Blei-Kohlenstoff-Elektroden systematisch untersucht. Hierzu wurden Elektroden aus sechs verschiedenen negativen Aktivmasserezepturen hergestellt, welche sich einzig im zugemischten Kohlenstoffadditiv unterschieden. Durch die Verwendung von Kohlenstoffpulver mit gezielt eingestellter spezifischer Oberfl{\"a}che, konnte zum ersten Mal nachgewiesen werden, dass allein die externe Kohlenstoffoberfl{\"a}che relevant f{\"u}r die Erh{\"o}hung der Aktivit{\"a}t der Elektrode ist. Zyklovoltammetrische Messungen zeigten, dass sowohl die Wasserstoffentwicklungsreaktion als auch die Doppelschichtkapazit{\"a}t durch eine zus{\"a}tzlich in die Aktivmasse eingebrachte externe Kohlenstoffoberfl{\"a}che verst{\"a}rkt wird. Erstmals wurde ein linearer Zusammenhang zwischen Doppelschichtkapazit{\"a}t und dynamischer Stromaufnahme festgestellt, der belegt, dass die Erh{\"o}hung der dynamischen Stromaufnahme auf einen reinen Oberfl{\"a}cheneffekt zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Da sowohl der Strom durch die Wasserstoffentwicklung als auch durch die Ladung der Doppelschicht nicht ausreichen, um die erh{\"o}hte Stromaufnahme zu erk{\"a}ren, muss davon ausgegangen werden, dass die Bleisulfatreduktion durch den Kohlenstoff katalysiert wird. Erkl{\"a}rungsans{\"a}tze sind eine vergr{\"o}ßerte aktive Oberfl{\"a}che an Bleisulfat aufgrund einer er{\"o}hten Porosit{\"a}t und die Adsorption des oberfl{\"a}chenaktiven Ligninsulfonats auf der Kohlenstoffoberfl{\"a}che anstelle der des Bleisulfats . Blei-Affinit{\"a}t von Graphitpulver: Abschließend wurde in Kapitel 6 eine neue Messmethodik evaluiert, um die Elektrokristallisation von Blei auf Kohlenstoffadditiven zu charakterisieren. Hierf{\"u}r wurde Bleimetall potentiostatisch aus w{\"a}ssriger L{\"o}sung auf graphitische Kohlenstoffelektroden abgeschieden und das Kristallwachstum und die Keimzahldichte anhand mikroskopischer Betrachtungen und Modellierung der Strom-Zeit-Transienten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich Blei in partikul{\"a}rer Form an definierten Stellen der Graphitkristalle abscheidet und dass die Anzahl an Keimstellen durch die H{\"o}he der Abscheidespannung variiert werden kann. In Anwesenheit von Ligninsulfonat wird das Keimwachstum verlangsamt und die urspr{\"u}nglich instantane Keimbildung in eine progressive {\"u}berf{\"u}hrt. Ein f{\"u}r die Anwendung besonders relevantes Ergebnis lieferte der Vergleich zweier kommerzieller Graphitpulver, welche sowohl im Modellversuch, als auch als Additiv in negativen Bleielektroden eine signifikant unterschiedliche Keimzahldichte aufzeigten. Graphite mit einer hohen Kristallitgr{\"o}ße zeigen eine besonders hohe Bleiaffinit{\"a}t.},
  subject      = {Kohlenstoff},
  language  = {de}
}