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For the successful use of lithium-ion batteries in automotive applications, reliable availability of high storage capacity and very short recharging times are essential. In order to develop the perfect battery for a certain application, structure–property relationships of each active material must be fully understood. LiFePO4 is of great interest due to its fast-charging capability and high stability regarding its thermal resistance and chemical reactivity. The anisotropic lithium-ion diffusion through the LiFePO4 crystal structure indicates a strong dependence of the electrochemical performance of a nanostructured active material on particle morphology. In this paper, the relationship of the particle morphology and fast-charging capability of LiFePO4/C core/shell nanoparticles in half-cells was studied. For this purpose, a new multistep synthesis strategy was developed. It involves the combination of a solvothermal synthesis followed by an in situ polymer coating and thermal calcination step. Monodisperse rodlike LiFePO4 nanoparticles with comparable elongation along the b-axis (30–50 nm) and a varying aspect ratio c/a (2.4–6.9) were obtained. A strong correlation of the fast-charging capability with the aspect ratio c/a was observed. When using LiFePO4 nanoparticles with the smallest aspect ratio c/a, the best electrochemical performance was received regarding the specific capacity at high C-rates and the cycling stability. A reduction of the aspect ratio c/a by 30% (3.6 to 2.4) was found to enhance the charge capacity at 10 C up to an order of magnitude (7.4–73 mA h·g–1).
Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen können in einem hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess poröse Körnungen (Hydrothermalgranulate HTG) hergestellt werden. Die Erhärtung der HTG erfolgt dabei in einem Autoklav bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der HTG entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarzpartikeln (SiO2) und Kalk (CaO) entstehen. SiO2-Lieferant ist ziegelhaltiger Mauerwerkbruch, der als Hauptmineralphase Quarz enthält. Papierasche kann mit ihren Anteilen an Freikalk und anderen reaktive Calciumverbindungen als Kalkersatz dienen. Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen werden die Eigenschaften der Reaktionsprodukte gezielt gesteuert. Die HTG haben Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³. Ihr Gefüge ist durch ein eher ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Diese Porenstruktureigenschaften legen eine Anwendung der HTG als Filter- oder Speichermaterial nahe. Sie können natürliche Rohstoffe, wie Bims, Lavasand und fluviale Sande, aus Primärrohstoffen hergestellte Produkte, wie Blähton, Keramik und Aktivkohle, sowie erdölbasierte Kunststoffadditive ersetzen, wobei die typischen Filter- und Speichereigenschaften der herkömmlichen Produkte nahezu erreicht werden. Dadurch wird einerseits für Reststoffe, die gegenwärtig ein hohes Verwertungsdefizit aufweisen, eine hochwertige Wieder- bzw. Weiterverwertungsmöglichkeit geschaffen und die Abfallmenge vermindert. Andererseits erfolgt eine Schonung von knapper werdenden natürlichen mineralischen Rohstoffen und Erdöl. In einem Forschungsprojekt werden derzeit die technischen Möglichkeiten der hydrothermalen Herstellung von leichten porösen Körnungen aus Mauerwerkbruch, Kalk und Papierasche sowie die Anwendung der HTG als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung und als Wasserreservoir in Substraten von Pflanzwänden und zur inneren Nachbehandlung hochfester Betone systematisch untersucht. Der Beitrag berichtet insbesondere über die experimentelle Entwicklung der hydrothermalen Synthesestrategie, die nachfolgende Charakterisierung der HTG und die Beziehungen zwischen Gefügekennwerten und technischen Eigenschaften der Körnungen.
Jährlich fallen ca. 250 Mio. t mineralische Reststoffe in Deutschland an, die eine vielfältig einsetzbare, sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Der Einsatz von Reststoffen führt zur Schonung natürlicher Rohstoffe, zur Reduktion von CO2-Emissionen und zur Einsparung von Deponieraum. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes, SiO2-reiches Gemisch aus Ziegeln, Beton und Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel. Die uneinheitliche Zusammensetzung und bis zu 50 % Feinanteile nach der mechanischen Aufbereitung verhindern eine unmittelbare Wiederverwertung als RC-Gemisch. Eine Möglichkeit der Verwertung von Mauerwerkbruch stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate erhalten werden.
Im Fokus des ZIM-Projekts HYTEGRA steht die Entwicklung eines solchen Herstellungsprozesses und die umfassende Charakterisierung der hergestellten Hydrothermalgranulate. Als Reststoffe soll neben Mauerwerkbruch (SiO2-reich) aus Bau- und Abbruchsabfällen auch Papierasche (CaO-reich) aus dem Altpapierrecycling eingesetzt werden. Nach einem mehrstufigen mechanischen Prozess erfolgt die Härtung der Grüngranulate hydrothermal unter erhöhtem Druck in gesättigter Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen von etwa 200 °C. Während des Härtungsprozesses bilden sich aus Quarz (SiO2), Kalk (CaO) und Wasser Calciumsilicathydrat-Phasen, die für die benötige Festigkeit und Porosität der Hydrothermalgranulate sorgen. Durch die Variation verschiedenster Syntheseparameter (Temperatur, Druck, Zeit, SiO2-CaO-Mischungsverhältnis) wird eine gezielte Einstellung der Eigenschaften der Hydrothermalgranulate ermöglicht. In Kooperation mit verschiedenen Industriepartnern sind Anwendungen als Filter- und Speichermaterial geplant, z.B. in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung sowie als temporärer Wasserspeicher zur inneren Nachbehandlung von Beton und in Pflanzsubstraten.
Im Vortrag sollen das Projekt HYTEGRA und erste Ergebnisse des hydrothermalen Verwertungsweg unter Verwendung von Mauerwerkbruch im Labormaßstab vorgestellt werden.
Hydrothermale Herstellung von Filter- und Speichermaterialien aus SiO2- und CaO-reichen Reststoffen
(2019)
Jährlich fallen ca. 250 Mio. t mineralische Reststoffe in Deutschland an, die eine vielfältig einsetzbare, sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Der Einsatz von Reststoffen führt zur Schonung natürlicher Rohstoffe, zur Reduktion von CO2 Emissionen und zur Einsparung von Deponieraum. Im Projekt HYTEGRA sollen Mauerwerkbruch (SiO2-reich), ein heterogenes Gemisch aus Ziegeln, Beton und
Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel, sowie Papierasche (CaO-reich) aus dem Altpapierrecycling rohstofflich wiederverwertet werden. Die Entwicklung von porösen Körnungen über einen hydrothermalen Herstellungsprozess steht dabei im Fokus. In Kooperation mit verschiedenen Industriepartnern sind Anwendungen als Filter- und Speichermaterial geplant.
Mauerwerkbruch setzt sich aus unterschiedlichen Anteilen der üblichen Wandbaustoffe Ziegel, Beton- und Leichtbeton, Kalksandstein, Porenbeton sowie Mauer- und Putzmörtel zusammen. Bei seiner mechanischen Aufbereitung zum RC-Gemisch fallen häufig bis zu 50 % Feinanteile an. Die heterogene Zusammensetzung und der hohe Feinanteil verhindern eine Wiederverwertung nach einer einfachen mechanischen Aufbereitung. Eine Möglichkeit des Recyclings von Mauerwerkbruch ist aber ein hydrothermaler Stoffwandlungsprozess, durch den leichte poröser Granulate hergestellt werden.
Aus ziegelhaltigem Mauerwerkbruch werden unter Zusatz von Branntkalk nach dem Mahlen, Mischen und Granulieren des Rohmehls durch hydrothermale Verfestigung in einem Autoklav poröse Körnungen mit Rohdichten kleiner als 2000 kg/m³, die Hydrothermalgranulate, erhalten. Die Erhärtung erfolgt bei ca. 200 °C und 1,6 MPa Sattdampf ähnlich dem Prozess der Kalksandsteinherstellung. Festigkeit und Gefüge der Hydrothermalgranulate entwickeln sich durch die Ausbildung von Calciumsilicathydraten (CSH-Phasen), die durch die Reaktion zwischen Quarz, als Bestandteil von Mauerwerkbruch, und Kalk entstehen.
Über die Mischungszusammensetzung und die Reaktionsbedingungen können die Eigenschaften der Granulate gezielt gesteuert werden. Ihr Materialgefüge ist durch ein ungeordnetes System an Mesoporen und kleinen Makroporen mit Porenweiten kleiner 100 nm gekennzeichnet. Damit unterscheiden sich ihre Eigenschaften deutlich von denen der thermisch erhärteten Blähgranulate, da sich durch die CSH-Phasen eine ganz andere Gefüge- und Porenstruktur ausbildet. Aus den Granulateigenschaften ergeben sich Anwendungen als Filter- oder Speichermaterial, d.h. Applikationen, die über den Baustoffsektor hinausgehen.
In einem laufenden Forschungsprojekt wird mit 4 Industrie- und 2 Forschungspartnern aus den Bereichen Baustoffrecycling, Verfahrens- und Syntheseentwicklung, Partikelcharakterisierung so-wie Filter- und Betontechnologie ein Syntheseweg zur gezielten Herstellung hydrothermal erhärteter, körniger und poröser Produkte aus Mauerwerkbruch im Labor- und Pilotmaßstab entwickelt. Dazu gehört auch die Untersuchung aller Prozessschritte von der Aufbereitung der Ausgangsmaterialien über das Homogenisieren und Granulieren der Mehle bis zur hydrothermalen Behandlung der Granulate. Die Hydrothermalgranulate werden umfangreichen Eignungs- und Dauerhaftigkeitstests unterzogen.
Das aktuelle Forschungsvorhaben und insbesondere erste Ergebnisse zur hydrothermalen Synthese von Mauerwerkbruch-Kalk-Mischungen werden im Vortrag vorgestellt.
Jährlich fallen in Deutschland ca. 56 Mio. t mineralischer Bauschutt an, der eine vielfältig einsetzbare sekundäre Rohstoffquelle darstellt. Trotz hoher Verwertungsquoten werden Bau- und Abbruchabfälle zum Teil deponiert, weil geeignete und rentable Verwertungswege fehlen. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes SiO2-reiches Gemisch aus Ziegel, Beton- und Leichtbetonsteinen, Kalksandstein, Porenbeton, Putz und Mörtel. Die un-einheitliche Zusammensetzung und mehr als 50 % Feinanteile durch die mechanische Aufbereitung verhindern meist eine unmittelbare Wiederverwertung als RC-Gemisch. Eine Möglichkeit der effektiven Verwertung von Mauerwerkbruchmehlen stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate entstehen. Aus den Granulateigenschaften, insbesondere der Porenstruktur, ergeben sich Anwendungen als Filter- oder Speichermaterial, d. h. auch in Bereichen, die über den Bausektor hinausgehen. Hierbei können die Granulate leichte Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs, z. B. Lavasand oder Blähtone, ersetzen und somit einen Beitrag zur Schonung natürlicher Ressourcen leisten.
Im Fokus des aktuellen ZIM-Projekts HYTEGRA steht die Entwicklung eines solchen hydrothermalen Herstellungsprozesses und die umfassende Charakterisierung der hergestellten Hydrothermalgranulate. Als sekundäre Rohstoffquelle wird neben SiO2-reichem Mauerwerkbruch aus Bau- und Abbruchabfällen auch CaO-reiche Papierasche eingesetzt. Die-se Asche aus dem Altpapierrecycling weist ebenfalls ein erhebliches Verwertungsdefizit auf. Ihr Freikalk ermöglicht den Einsatz als Kalksubstitut. Die Herstellung der Hydrothermalgranulate erfolgt in einem mehrstufigen mechanischen Prozess mit abschließender hydrothermaler Behandlung. Das konventionell mechanisch aufbereitete Abbruchmaterial (RC-Gemisch < 32 mm) wird mittels Kugelmühle zu einem Mehl (< 120 µm) verarbeitet, welches im Intensivmischer unter Zugabe von Kalk und Wasser granuliert wird. Die Härtung der Grüngranulate erfolgt hydrothermal unter erhöhtem Druck in gesättigter Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen von etwa 200 °C. Während des Härtungsprozesses bilden sich aus Quarz (SiO2), Kalk (CaO) und Wasser Calciumsilicathydrat-Phasen, die für die benötigte Festigkeit und Porosität der Hydrothermalgranulate sorgen. Durch die Variation der Syntheseparameter Temperatur, Druck, Zeit und SiO2-CaO-Mischungsverhältnis während der hydrothermalen Härtung, aber auch durch die Prozessführung der Granulierung, wird die Variation und gezielte Einstellung der Eigenschaften der Hydrothermalgranulate ermöglicht. In Kooperation mit Industriepartnern werden die hergestellten Hydrothermalgranulate in verschiedenen Applikationsbereichen getestet, z.B. in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung sowie als temporärer Wasserspeicher zur inneren Nachbehandlung von hochfestem Beton und in Pflanzsubstraten.
Im Tagungsbeitrag wird das Projekt HYTEGRA vorgestellt, insbesondere der hydrothermale Verwertungsweg unter Verwendung von Mauerwerkbruch und Papierasche im Labor- und Technikumsmaßstab sowie die Anwendung der hergestellten porösen Granulate als Filter- und Speichermaterial.
Heterogeneous construction and demolition waste can be used as raw material to produce lightweight aggregates (LWA) similar to expanded clays. In the joint research project “REALight”, LWA were produced from masonry rubble in a thermal expanding process using a pilot production plant with a rotary kiln. Our research focuses on the characterisation of the novel LWA and their use in different hydraulically bound applications.
Infra-lightweight concrete (ILC) was produced with the novel LWA, which accounts for two thirds of total aggregate volume, and Celitement, which is a hydraulic binder with a low carbon footprint. Its dry bulk density is ≤ 800 kg/m³. Strength and durability properties are comparable to ILC data from the literature.
Lime-based repair mortars (LRM) containing LWA are beneficial for sandstone conservation due to their similar properties regarding porosity, water absorption and strength. A two-layer repair mortar system, which consists of a filling mortar to fill large voids and a covering mortar to modulate the surface texture to the historic sandstone, was developed.
In our contribution, we present results of the LWA characterisation according to the European standard EN 13055:2016. Requirements and challenges of the use of the novel LWA in ILC and LRM are discussed.
Im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsprojekt ReMin - REALight werden in einem Projektteam aus Industriepartnern und Forschungseinrichtungen unter Koordination der Bauhaus-Universität Weimar leichte Gesteinskörnungen aus Bau- und Abbruchabfällen und industriellen Nebenprodukten auf thermischen Weg hergestellt. Die Aufgabe der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, diese im Drehrohrofen erzeugten Blähgranulate für gebundene Anwendungen in Beton und Mörtel umfassend zu charakterisieren. Gemeinsam mit der Opus Denkmalpflege GmbH wird die Applikation feiner, gebrochener Blähgranulate in leichten Steinergänzungsmörteln für die Restaurierung von Sandsteinobjekten untersucht. Hierzu wird ein zweischichtiges Mörtelsystem bestehend aus Füll- und einem Deckmörtel entwickelt. Erste Ergebnisse der Rezepturentwicklung verschiedener kalkhaltiger Leichtmörtel mit gebrochenen Blähgranulaten werden vorgestellt. Die neuen Leichtmörtel sind hinsichtlich der entwickelten Druckfestigkeit gleichwertig gegenüber herkömmlichen Restauriermörteln.
Jährlich fallen in Deutschland etwa 75 Mio. t mineralische Bau- und Abbruchabfälle an, die eine vielfältig einsetzbare sekundäre Rohstoffquelle darstellen. Trotz hoher Verwertungsquoten werden Bau- und Abbruchabfälle zum Teil deponiert oder nur in Anwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, weil geeignete hochwertige Verwertungswege für solche sehr heterogen zusammengesetzte Körnungen mit hohem Feinanteil fehlen. Der Reststoff Mauerwerkbruch ist ein heterogenes SiO2-reiches Gemisch aus Ziegel-, Beton- und Leichtbeton-, Kalksandstein- und Porenbetonbruch sowie Putz- und Mörtelanhaftungen. Die uneinheitliche Zusammensetzung und mehr als 50 % Feinanteile durch die mechanische Aufbereitung verhindern eine unmittelbare Wiederverwertung als rezyklierte Gesteinskörnung. Eine Möglichkeit der effektiven Verwertung von Mauerwerkbruch stellt das rohstoffliche Recycling über einen hydrothermalen Stoffumwandlungsprozess dar, bei dem poröse Granulate entstehen. Aus den Eigenschaften der Hydrothermalgranulate, insbesondere ihrer Porenstruktur, ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten als Filter- oder Speichermaterial, d. h. auch in Bereichen, die über den Bausektor hinausgehen. Hierbei können die Granulate Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs, z. B. Lavasand und Bims, oder aus natürlichen Rohstoffen hergestellte Körnungen, z. B. Blähtone, ersetzen. Somit wird ein Beitrag zur Schonung natürlicher Ressourcen und zur Energieeinsparung im Vergleich zur Blähtonherstellung geleistet.
Ziel des ZIM-Kooperationsprojekts „HYTEGRA – Hydrothermalgranulate“ war die Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung leichter Gesteinskörnungen durch die hydrothermale Behandlung eines Gemischs quarz- und kalkreicher Reststoffe. Als Ausgangsstoffe dienten ziegelhaltiger Mauerwerkbruch als SiO2-Träger und Papierasche aus dem Altpapierrecycling als CaO-Träger. Die vollständige Prozesskette von der mechanisch-physikalischen Aufbereitung der Reststoffe über die Formgebung der Grüngranulate bis zur hydrothermalen Härtung der Leichtgranulate wurde im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Anwendung der Hydrothermalgranulate als Speichermaterial zur inneren Nachbehandlung von Beton und als Pflanzsubstrat sowie als Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserbehandlung wurde untersucht.
Im Vortrag wird ein Überblick über die Ergebnisse des erfolgreich abgeschlossenen Projekts „HYTEGRA“ gegeben.