WO2015095902A1 - Method for producing carbon particles - Google Patents

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WO2015095902A1
WO2015095902A1 PCT/AT2014/000224 AT2014000224W WO2015095902A1 WO 2015095902 A1 WO2015095902 A1 WO 2015095902A1 AT 2014000224 W AT2014000224 W AT 2014000224W WO 2015095902 A1 WO2015095902 A1 WO 2015095902A1
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WO
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particles
cellulose
heat treatment
lyocell
carbon
Prior art date
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PCT/AT2014/000224
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German (de)
French (fr)
Inventor
Gisela Goldhalm
Josef Innerlohinger
Martin Häubl
Original Assignee
Lenzing Ag
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K21/00Fireproofing materials
    • C09K21/02Inorganic materials
    • C09K21/04Inorganic materials containing phosphorus
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/312Preparation
    • C01B32/336Preparation characterised by gaseous activating agents

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of
  • Precursor non-cylindrical cellulose particles with cellulose II structure can be used.
  • Carbon particles are used, among other things, for the production of electrodes in modern energy storage media, where high charge and discharge rates are important, for example for batteries and supercapacitors in vehicles with electric drive or start-stop function.
  • lyocell was assigned by BISFA to cellulose fibers made from solutions in an organic solvent without formation of a derivative.
  • the solvent used is a tertiary amine oxide, preferably N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO).
  • NMMO N-methylmorpholine-N-oxide
  • Tertiary amine oxides have long been known as alternative solvents for cellulose. From US Pat. No. 2,179,181 it is known, for example, that tertiary amine oxides are able to dissolve pulp without derivatization and that cellulosic shaped bodies such as, for example, fibers can be produced from these solutions.
  • US 3,447,939 cyclic amine oxides as
  • EP 356 419 B1 describes the preparation of solutions and EP 584 318 B1 describes the spinning of such solutions of cellulose in
  • lyocell fibers as a carbonization precursor is also described in the article "Tencel carbon precursor”, Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63.
  • Electrodes made of carbon powder or activated carbon powder are manufactured using two principally different methods:
  • Activated carbon powder mixed with binder eg PTFE
  • binder eg PTFE
  • Aluminum foil is coated with this suspension and dried.
  • the dried layer is often subsequently densified by hot calendering.
  • lyocell fibers are said to have particular suitability for the production of electrode material.
  • the uniform fiber shape should ensure a high packing density. It has now been found that this is true for the application of the dry method of electrode production in the laboratory, but not for the large-scale applied slurry method. If the slurry method is carried out with fibrous powder, extremely fragile, brittle electrodes are produced whose calendering and densification is possible only when very high binder quantities are used. Although this material has high electrical capacities, it can not be used on an industrial scale.
  • the object of this prior art therefore was to find a carbonized material which, on the one hand, permits a high electrical capacitance during electrode production and, on the other hand, results in mechanically stable electrodes.
  • the solution to the above-described problem consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles with cellulose II structure being used as precursor.
  • the carbon particles are often also called
  • Cellulose II molded articles can be produced, for example, by comminution of commercially available lyocell fibers, were non-cylindrical
  • Cellulose particles with cellulose II structure in particular those which had been prepared by the Lyocell compiler, so far not readily available.
  • the non-cylindrical cellulose particles are prepared by a special Lyocell method.
  • the advantages of the invention are, in particular, the combination of high activability by lyocell structure of cellulosic precursors and large-scale processability to electrodes, with high gravimetric electrical capacitances by the inherent lyocell structure, with recovery of stable electrodes by means of slurry method with high electrode density and thus high volumetric capacity.
  • particles or granules compared to fibers in the carbonization or activation process particles are easier to promote, since they have no compressible behavior in the promotion and no
  • Fibers can also be more easily introduced into a complete atmosphere of inert gas or activating gas. Fibers transport a large amount of air through their high trapped volume must be displaced with nitrogen before the thermal treatment; This costs time and resources. For particles the effort is much lower.
  • WO 2009/036480 describes suitable three-dimensional cellulosic shaped bodies and a lyocell method for their production. This method is characterized in that the cellulose solution free-flowing, that is without substantial shearing of the cellulose solution under their
  • Cellulose particles have a cellulose-II structure with a particle size in the range of 1pm to 5000 ⁇ , preferably 5pm to 2000 ⁇ , more preferably 10 to 200 ⁇ and are also characterized in that they have an approximately spherical particle shape with irregular surface and a crystallinity in the range of 15% to 45% according to the Raman method.
  • Manufacturing steps a. Dissolving a cellulosic raw material, for example pulp, to obtain a solution containing 10 to 15% by weight of cellulose;
  • step b Extrusion of in step a. obtained cellulose solution without air gap directly into a precipitation bath;
  • the laundry mentioned in point d. is preferably multi-stage and in the
  • the cellulosic shaped bodies produced in this way have an optically detectable core-shell structure.
  • Cuprammonium process into consideration; It is also possible to dissolve the cellulose in NaOH or suitable ionic liquids.
  • the method described here is not limited to specific solvents or processes, but by using different methods, the structure of the resulting particles can be additionally influenced.
  • preference is given to the lyocell process which is fundamentally known to the person skilled in the art and is described, inter alia, in EP 0356419.
  • the shaping takes place, in which - especially in the precipitation process - care must be taken to ensure that no fibrous structures are formed. This is not a trivial requirement because
  • Cellulose solution is first brought into the desired shape without significant shearing and then the regeneration conditions are selected accordingly. It is essential that the cellulose solution directly, d. H. without an air gap, is extruded into a precipitation bath and the comminution of the solution strand takes place in a manner which results in substantially equal particles.
  • Suitable aggregates for this step are, for example, underwater or stranded granulators, which in addition to spherical particles also produce cylinders, angular ellipsoids and ovoids. The aforementioned units also meet the additional
  • the particles produced are supposed to have as uniform a size as possible, with the
  • Granules of different sizes can be made from Lyocell dope, for example, with an EUP50 type underwater granulator from Econ.
  • the beads produced can be separated from the process water via a mechanical centrifugal dryer.
  • solid-liquid separations may be e.g. by hydrocyclone, pusher centrifuges or by sieves
  • Granulators are available in a variety of sizes on the market, and due to the simplicity of the process of granulation of dope, upscaling on an industrial scale is relatively easy. Thus, e.g. with a single pelletizer of the type EUP 3000 about 5000 tons of pellets are produced per year. Furthermore, there are much larger machines available from other manufacturers.
  • cellulose strands can also be produced with special Lyocell nozzles with nozzle hole diameters of 0.5 to 5 mm, which are fed to a strand pelletizer after a washing cycle.
  • the viscosity of the cellulose solution also has a great influence on the properties of the particles obtained, since these normally also have the viscosity
  • the precipitation bath is preferably aqueous (with a viscosity in the range of 1 Pa * s), but the viscosity of the precipitation bath can be increased significantly by adding thickeners (polymers). A smaller difference in viscosity leads to a thinner coat.
  • the invention is a
  • Viscosity difference between cellulose solution and precipitation bath of at least 600 Pa.s, preferably in the range 750-1200 Pa.s. (based on the zero viscosity).
  • the thickness of the shell is decisively influenced by the NMMO concentration difference when the cellulose solution enters the precipitation bath. The larger this is, the thicker the coat gets
  • the thickness of the jacket is also influenced by the temperature difference when the cellulose solution enters the precipitation bath. The larger this is, the thicker the jacket of the granules produced according to the invention becomes.
  • the preferred process principle for washing out the moldings on an industrial scale is the countercurrent washing in order to keep the necessary amount of wash water and the recovery costs within limits.
  • 10 to 12 washing stages are necessary for this.
  • increasing the wash water temperature is advantageous.
  • a washing water temperature of 60 ° C. to 100 ° C. is preferred here.
  • an alkaline step is additionally necessary, wherein preferably pH values of 9-13 are used.
  • the cellulose II molded bodies produced by this second process variant are characterized in that they have an optically detectable core-shell structure, wherein the shell has a higher density and a lower crystallinity than the core and the core has a sponge-like structure.
  • the sheath has a relative density of 65% to 85% and the core has a relative density of 20% to 60%, based in each case on compact cellulose.
  • the jacket thickness between 50 ⁇ and 200 ⁇ .
  • the ratio of shell thickness to total diameter of the molding can be between 1: 5 and 1:50. Due to the production, the ratio of the semiaxes of the ellipsoidal shaped body 3: 1 will not exceed.
  • cellulose particles of the invention having such a shape, i. ellipsoidal shaped bodies with a ratio of the semi-axes of less than or equal to 3: 1 are referred to as "spherical granules".
  • the spherical granules thus obtained can be coarsely or finely ground depending on the desired final size.
  • non-cylindrical cellulose particles having a cellulose II structure is used, this being intended in particular to differentiate from the cellulose II particles known in the above cited prior art, which are made of lyocell or viscose fibers by comminution and therefore always have a cylindrical shape (see Figs. 1 and 2). In particular from Fig. 2 shows that even at very fine
  • a cylindrical shape should also be understood to mean one with a lobed cross-section, as is the case when viscose fibers are comminuted (see, for example, FIG. 2 in Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63).
  • the cellulosic shaped bodies produced by the processes described above can be used to produce carbon particles, at least one heat treatment step being necessary.
  • Heat treatment in an inert gas atmosphere is carried out in one
  • the activating atmosphere consists essentially of water vapor or carbon dioxide.
  • a preferred embodiment consists in the use of said cellulosic moldings for carbonization and activation, wherein at least the following process steps are necessary:
  • Optimization in a subsequent second heat treatment step may be added to comminution steps.
  • a preferred solution to the above-described problem consists, for example, in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor,
  • the cellulose particles are optionally subjected to a fire protection pretreatment
  • step d. obtained particles takes place.
  • a particularly preferred solution of the above-described object consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor,
  • the cellulose particles are subjected to a fire protection pretreatment
  • a further preferred solution of the above-described object consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor,
  • the cellulose particles are optionally subjected to a fire protection pretreatment
  • a further possible solution to the above-described problem consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor, the cellulose particles being subjected to fire protection pretreatment, preferably by impregnation one aqueous solution of a phosphate, and finally a heat treatment in activating atmosphere takes place.
  • fire protection pretreatment preferably by impregnation one aqueous solution of a phosphate
  • a heat treatment in activating atmosphere takes place.
  • relatively large carbon particles are obtained since no comminution steps take place.
  • a crushing step can also be added to obtain correspondingly smaller carbon particles.
  • Fig. 3 shows an inventive crushed, carbonized and activated ball granules
  • Fig. 4 shows an inventive carbonized and activated, not further crushed ball granules, in which the core-shell structure of the original precursor is still clearly visible.
  • the fire protection pretreatment can either be a thermal oxidation at temperatures of 150 ° C - 400 ° C under an air atmosphere or a
  • Impregnation with a solution of a fire retardant e.g.
  • Phosphates for example Diammoniumhydrogenphosphat (DAHP) or aqueous potassium hydroxide (KOH).
  • DAHP Diammoniumhydrogenphosphat
  • KOH aqueous potassium hydroxide
  • the fire retardant is selected from the group containing diammonium hydrogen phosphate (DAHP) and potassium hydroxide (KOH).
  • DAHP diammonium hydrogen phosphate
  • KOH potassium hydroxide
  • the carbonization may be batch or continuous in an inert atmosphere such as e.g. Nitrogen be performed.
  • Essential elements here are the heating rate, the maximum temperature, the
  • the activation step can be carried out either directly with the precursor or with already carbonized particles.
  • a pretreatment with e.g. Phosphates increase the formation of active surface area (see Example 1).
  • As with the carbonization are essential elements of the
  • the activating atmosphere during the heat treatment consists essentially of water vapor or carbon dioxide.
  • the thermal activation will preferably be carried out in an inert gas stream.
  • the activation can be done in the rotary kiln, the rotation should ensure a uniform activation.
  • a measure of the active surface area may be the BET value in m 2 / g.
  • Possibility to characterize the carbon particles is the measurement of the electrical capacitance by means of cyclic voltammetry of two-electrode or three-electrode cells at 1 or 1, 5 V with a scan rate of 20mV / s.
  • Another aspect of the present invention is the use of cellulosic cellulose non-cylindrical cellulose particles to produce carbon particles by the method described above.
  • the non-cylindrical carbon particles produced in this way can be used, inter alia, for the production of electrodes in modern energy storage media which require high charging and discharging rates, for example for batteries and supercapacitors in vehicles with electric drive or start-stop function.
  • the carbon particles produced according to the invention are suitable.
  • Other uses include uses as a filter medium, especially for the filtration of gases, air and liquids as well as storage medium for gases, such as hydrogen.
  • Example 1 Activation of lyocell fibers with and without pretreatment
  • Precursors used Commercially available Tencel® fiber 1, 7 dtex / 38 mm cut length
  • Pretreatment Impregnation of the lyocell fibers with an aqueous solution of diammonium hydrogen phosphate (2% by weight, based on cellulose), followed by drying at 70 ° C. under reduced pressure.
  • Example 1 shows that both the yield and the active surface are increased by the pretreatment. By a longer residence time in the carbonation, although the active surface is increased, but the yield decreases. This finding is unchanged from Lyocell fibers to non-cylindrical lyocell particles as a precursor transferable.
  • Example 2 Activation of lyocell fibers and lyocell pellets in
  • lyocell fibers as well as various lyocell pellets produced by the method described above were pretreated, carbonated and activated under the same conditions.
  • the electrical capacitance of the products was determined by cyclic voltammetry at 1.5 V with a scan rate of 20 mV / s in a two-electrode cell with the following
  • Tested Precursors Commercially available Tencel® fiber 1, 7 dtex / 38 mm cut length, Lyocell granules unmilled 1 mm in diameter, coarse milled Lyocell granules (100 pm average
  • Particle size finely ground lyocell granules (8 pm average particle size).
  • the lyocell pellets were prepared as described in the above Description shown method produced. The determination of the particle size was carried out with a laser diffraction meter.
  • Example 2 show that lyocell pellets show a similar good activability as lyocell fibers under the same conditions.

Abstract

The invention relates to a method for producing carbon particles from precursors with a cellulose II structure, in which non-cylindrical cellulose particles with a cellulose II structure are used as precursors.

Description

Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln  Process for the production of carbon particles
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von The present invention relates to a process for the preparation of
Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur, in dem als Carbon particles from precursors with cellulose-II structure, in which
Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur eingesetzt werden. Precursor non-cylindrical cellulose particles with cellulose II structure can be used.
Stand der Technik State of the art
Die Herstellung von Kohlenstoffteilchen aus Polymeren durch Karbonisierung ist seit langem bekannt. Neben den bekannten Carbonfasern werden auch Carbonteilchen mit anderer Form aus entsprechend geformten The production of carbon particles from polymers by carbonization has been known for a long time. In addition to the well-known carbon fibers and carbon particles are formed with another form of appropriately shaped
Polymervorstufen, sogenannten Precursoren, hergestellt. Solche Polymer precursors, so-called precursors prepared. Such
Carbonteilchen werden unter anderem zur Herstellung von Elektroden in modernen Energiespeichermedien eingesetzt, bei denen es auf hohe Lade- und Entladegeschwindigkeit ankommt, beispielsweise für Batterien und Superkondensatoren in Fahrzeugen mit Elektroantrieb oder Start-Stop- Funktion. Carbon particles are used, among other things, for the production of electrodes in modern energy storage media, where high charge and discharge rates are important, for example for batteries and supercapacitors in vehicles with electric drive or start-stop function.
Als geeignetes Precursor-Polymer ist inzwischen nicht nur Polyacrylnitril weit verbreitet. Auch Cellulose wird bereits häufig als Precursor für die Herstellung von Carbonformkörpern verwendet. Neben der natürlich gewachsenen Baumwolle und dem hauptsächlich aus Holz hergestellten Zellstoff kommen dabei insbesondere cellulosische Formkörper in Frage, die mittels Viskoseoder Lyocellverfahren hergestellt wurden. In the meantime, not only polyacrylonitrile is widely used as a suitable precursor polymer. Also cellulose is already often used as a precursor for the production of carbon moldings. In addition to the naturally grown cotton and the pulp produced mainly from wood, cellulosic shaped bodies which were produced by means of viscose or lyocell processes are particularly suitable.
Der Gattungsname„Lyocell" wurde von der BISFA Cellulosefasern zugeteilt, die aus Lösungen in einem organischen Lösungsmittel ohne Bildung eines Derivats hergestellt werden. The generic name "lyocell" was assigned by BISFA to cellulose fibers made from solutions in an organic solvent without formation of a derivative.
Bis heute hat sich jedoch nur ein Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Fasern der Gattung Lyocell durchgesetzt und zwar das Aminoxid- Verfahren. Bei diesem Verfahren wird als Lösungsmittel ein tertiäres Aminoxid verwendet, bevorzugt N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO). Tertiäre Aminoxide sind schon seit langem als alternative Lösungsmittel für Cellulose bekannt. Aus der US 2,179,181 ist beispielsweise bekannt, dass tertiäre Aminoxide Zellstoff ohne Derivatisierung zu lösen vermögen und dass aus diesen Lösungen cellulosische Formkörper wie z.B. Fasern hergestellt werden können. In der US 3,447,939 werden cyclische Aminoxide als To date, however, has only one method for large-scale production of fibers of the genus Lyocell prevailed and that the amine oxide method. In this process, the solvent used is a tertiary amine oxide, preferably N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO). Tertiary amine oxides have long been known as alternative solvents for cellulose. From US Pat. No. 2,179,181 it is known, for example, that tertiary amine oxides are able to dissolve pulp without derivatization and that cellulosic shaped bodies such as, for example, fibers can be produced from these solutions. In US 3,447,939 cyclic amine oxides as
Lösungsmittel für Cellulose beschrieben. Solvent for cellulose described.
Wie dieses Verfahren ausgeführt wird, ist dem Fachmann grundsätzlich seit längerem aus vielen Patentschriften und sonstigen Publikationen bekannt. So beschreibt unter anderem die EP 356 419 B1 die Lösungsherstellung und die EP 584 318 B1 das Verspinnen solcher Lösungen von Cellulose in How this method is carried out, the expert is known in principle for many years from many patents and other publications. For example, EP 356 419 B1 describes the preparation of solutions and EP 584 318 B1 describes the spinning of such solutions of cellulose in
wasserhaltigen tertiären Aminoxiden. hydrous tertiary amine oxides.
Ein Verfahren zur Karbonisierung und Aktivierung von Lyocell-Fasern wird in der US 2008/0254972 A1 Patent beschrieben, wobei die Fasern mit einem phosporhaltigen Reagens imprägniert, thermisch unter Inertgas carbonisiert und ebenso thermisch mit Kohlendioxid oder Wasserdampf im Drehrohrofen aktiviert werden. Dieses Patent beschreibt eine deutlich höhere Aktivierbarkeit von Lyocell-Fasern im Vergleich zu anderen cellulosischen Precursoren, was bei Anwendung als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren in einer höheren elektrischen gravimetrischen Kapazität resultiert. A process for carbonization and activation of lyocell fibers is described in US 2008/0254972 A1 patent, wherein the fibers are impregnated with a phosphorus-containing reagent, thermally carbonized under inert gas and also thermally activated with carbon dioxide or water vapor in the rotary kiln. This patent describes a significantly higher activability of lyocell fibers compared to other cellulosic precursors, resulting in a higher electrical gravimetric capacity when used as electrode material for supercapacitors.
In der US 2007/0178310 A1 wird der Einsatz von Faserbruchstücken mit ähnlichem Faserquerschnitt als Elektrodenmaterial für Energiespeicher beschrieben. US 2007/0178310 A1 describes the use of fiber fragments having a similar fiber cross-section as electrode material for energy storage.
Die Verwendung von Lyocell-Fasern als Prekursor für die Karbonisierung ist auch im Artikel„Tencel carbon precursor", Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58- 63 beschrieben. The use of lyocell fibers as a carbonization precursor is also described in the article "Tencel carbon precursor", Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63.
Elektroden aus Karbonpulver oder Aktivkohlepulver werden mit zwei prinzipiell verschiedenen Methoden gefertigt: Electrodes made of carbon powder or activated carbon powder are manufactured using two principally different methods:
1. Der trockenen Methode, bei der das getrocknete Karbon- oder 1. The dry method in which the dried carbon or
Aktivkohlepulver mit Binder (z.B. PTFE) versetzt, danach erhitzt und solange geknetet wird, bis ein Teig entsteht, welcher blattförmig ausgewalzt und mit Aluminiumfolie kaschiert wird. Activated carbon powder mixed with binder (eg PTFE), then heated and as long is kneaded until a dough is formed, which is sheet-shaped rolled and laminated with aluminum foil.
2. Der Slurry-Methode, bei der das getrocknete Karbon- oder Aktivkohlepulver in einer geeigneten Flüssigkeit (z.B. Aceton) dispergiert und mit einem Binder, wie PVDC versetzt wird. Eine meist mit Haftvermittler vorbehandelte 2. The slurry method in which the dried carbon or activated carbon powder is dispersed in a suitable liquid (e.g., acetone) and added with a binder such as PVDC. One usually pretreated with primer
Aluminiumfolie wird mit dieser Suspension beschichtet und getrocknet. Die getrocknete Schicht wird oft anschließend durch heiße Kalandrierung noch verdichtet. Aluminum foil is coated with this suspension and dried. The dried layer is often subsequently densified by hot calendering.
Für die großtechnische Produktion von Elektroden aus Karbonpulvern wird mehrheitlich die Slurry-Methode angewandt. For the large-scale production of electrodes made of carbon powders, the majority of the slurry method is used.
Gemäß der US 2008/0254972 A1 und der US 2007/0178310 A1 sollen Lyocellfasern eine besondere Eignung zur Herstellung von Elektrodenmaterial besitzen. Die gleichmäßige Faserform soll eine hohe Packungsdichte gewährleisten. Es wurde nun festgestellt, dass dies zwar für die Anwendung der trockenen Methode der Elektrodenherstellung im Labor stimmt, nicht jedoch für die großtechnisch angewandte Slurry-Methode. Wird die Slurry- Methode mit faserförmigem Pulver durchgeführt, so entstehen extrem fragile, brüchige Elektroden, deren Kalandrierung und Verdichtung nur bei Einsatz von sehr hohen Bindermengen möglich ist. Dieses Material hat zwar hohe elektrische Kapazitäten, kann allerdings großtechnisch nicht eingesetzt werden. According to US 2008/0254972 A1 and US 2007/0178310 A1, lyocell fibers are said to have particular suitability for the production of electrode material. The uniform fiber shape should ensure a high packing density. It has now been found that this is true for the application of the dry method of electrode production in the laboratory, but not for the large-scale applied slurry method. If the slurry method is carried out with fibrous powder, extremely fragile, brittle electrodes are produced whose calendering and densification is possible only when very high binder quantities are used. Although this material has high electrical capacities, it can not be used on an industrial scale.
Aufgabe task
Die Aufgabe bestand gegenüber diesem Stand der Technik daher darin, ein carbonisiertes Material zu finden, das bei der Elektrodenherstellung einerseits eine hohe elektrische Kapazität erlaubt und andererseits mechanisch stabile Elektroden ergibt. Beschreibung der Erfindung The object of this prior art therefore was to find a carbonized material which, on the one hand, permits a high electrical capacitance during electrode production and, on the other hand, results in mechanically stable electrodes. Description of the invention
Die Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur, wobei als Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il- Struktur eingesetzt werden. Die Carbonpartikel werden oft auch als The solution to the above-described problem consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles with cellulose II structure being used as precursor. The carbon particles are often also called
Aktivkohlepartikel bezeichnet. Activated carbon particles called.
Die Verwendung von nicht-zylindrischen Cellulosepartikeln mit Cellulose-Il- Struktur als Precursor zur Herstellung von Carbonpartikeln ist noch nicht beschrieben. Sie lag auch nicht nahe. Während nämlich zylindrische The use of non-cylindrical cellulose particles with cellulose II structure as precursor for the production of carbon particles has not yet been described. It was not close either. Namely cylindrical
Cellulose-Il-Formkörper beispielsweise durch Zerkleinerung handelsüblicher Lyocellfasern hergestellt werden können, waren nicht-zylindrische Cellulose II molded articles can be produced, for example, by comminution of commercially available lyocell fibers, were non-cylindrical
Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur, insbesondere solche, die nach dem Lyocellverfahren hergestellt worden waren, bisher gar nicht ohne weiteres erhältlich. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die nicht-zylindrischen Cellulosepartikel durch ein spezielles Lyocellverfahren hergestellt. Cellulose particles with cellulose II structure, in particular those which had been prepared by the Lyocellverfahren, so far not readily available. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the non-cylindrical cellulose particles are prepared by a special Lyocell method.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in der Kombination von hoher Aktivierbarkeit durch Lyocell-Struktur der cellulosischen Precursor und großtechnischer Verarbeitbarkeit zu Elektroden, mit hohen gravimetrischen elektrischen Kapazitäten durch die inhärente Lyocell-Struktur, bei Gewinnung stabiler Elektroden mittels Slurry-Verfahren mit hoher Elektrodendichte und damit hoher volumetrischer Kapazitäten. The advantages of the invention are, in particular, the combination of high activability by lyocell structure of cellulosic precursors and large-scale processability to electrodes, with high gravimetric electrical capacitances by the inherent lyocell structure, with recovery of stable electrodes by means of slurry method with high electrode density and thus high volumetric capacity.
Weiterhin bestehen Vorteile von Partikeln bzw. Granulat gegenüber Fasern im Carbonisierungs- bzw. Aktivierungsprozess: Partikel sind einfacher zu fördern, da sie kein kompressibles Verhalten bei der Förderung und keine Furthermore, there are advantages of particles or granules compared to fibers in the carbonization or activation process: particles are easier to promote, since they have no compressible behavior in the promotion and no
Brückenbildung zeigen. Partikel sind auch einfacher zu dosieren, da die Schüttdichte wesentlich konstanter ist. Show bridging. Particles are also easier to dose because the bulk density is much more constant.
Partikel können außerdem einfacher in eine vollständige Atmosphäre von Inertgas bzw. Aktivierungsgas eingebracht werden: Fasern transportieren durch ihr hohes eingeschlossenes Volumen eine große Menge Luft, welche vor der thermischen Behandlung mit Stickstoff verdrängt werden muss; dies kostet Zeit und Ressourcen. Bei Partikeln ist der Aufwand wesentlich geringer. Particles can also be more easily introduced into a complete atmosphere of inert gas or activating gas. Fibers transport a large amount of air through their high trapped volume must be displaced with nitrogen before the thermal treatment; This costs time and resources. For particles the effort is much lower.
Der Durchlauf von Partikeln bzw. Granulat durch den Drehrohrofen ist viel konstanter und kann besser gesteuert werden als der von Fasern, da Fasern durch die Rotation im Drehrohrofen unterschiedlich große Faserballen bilden, welche unterschiedlich schnell durch den Ofen laufen. Die Aktivierung von Partikeln bzw. Granulat ist auch wesentlich homogener, da die oben beschriebenen Faserballen im äußeren Bereich stärker, im inneren The passage of particles or granules through the rotary kiln is much more constant and can be better controlled than that of fibers, since fibers form by rotation in the rotary kiln differently sized fiber bales, which run at different speeds through the furnace. The activation of particles or granules is also much more homogeneous, since the fiber bales described above in the outer region stronger, inside
schwächer aktiviert werden. Aufgrund der viel höheren Schüttdichte von Partikeln bzw. Granulat können sämtliche Anlagen zur Hitzebehandlung um bis zu einer Größenordnung kleiner ausgelegt werden. be activated weaker. Due to the much higher bulk density of particles or granules, all systems for heat treatment can be designed up to an order of magnitude smaller.
Herstellung der Precursor: Preparation of precursors:
Die WO 2009/036480 beschreibt geeignete dreidimensionale cellulosische Formkörper sowie ein Lyocellverfahren zu ihrer Herstellung. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Celluloselösung frei fließend, das heisst ohne wesentliche Scherung der Celluloselösung unter ihre WO 2009/036480 describes suitable three-dimensional cellulosic shaped bodies and a lyocell method for their production. This method is characterized in that the cellulose solution free-flowing, that is without substantial shearing of the cellulose solution under their
Erstarrungstemperatur abgekühlt wird, die erstarrte Celluloselösung zerkleinert wird, das Lösungsmittel ausgewaschen wird und die zerkleinerten, ausgewaschenen Partikel getrocknet werden. Die so hergestellten Solidification temperature is cooled, the solidified cellulose solution is crushed, the solvent is washed out and the crushed, washed out particles are dried. The so produced
Cellulosepartikel weisen eine Cellulose-Il-Struktur auf mit einer Partikelgröße im Bereich von 1pm bis 5000μιτι, bevorzugt 5pm bis 2000μιη, besonders bevorzugt 10 bis 200μιη und sind auch dadurch gekennzeichnet, dass sie eine annähernd sphärische Partikelform mit unregelmäßiger Oberfläche und eine Kristallinität im Bereich von 15% bis 45% gemäß der Raman-Methode aufweisen. Cellulose particles have a cellulose-II structure with a particle size in the range of 1pm to 5000μιτι, preferably 5pm to 2000μιη, more preferably 10 to 200μιη and are also characterized in that they have an approximately spherical particle shape with irregular surface and a crystallinity in the range of 15% to 45% according to the Raman method.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler cellulosischer Formkörper ist im Folgenden beschrieben. Es umfasst folgende Another method for producing three-dimensional cellulosic molded bodies is described below. It includes the following
Herstellungsschritte: a. Auflösung eines cellulosischen Rohstoffs, bespielsweise Zellstoff, um eine Lösung mit 10 bis 15 Gew.-% Cellulose zu erhalten; Manufacturing steps: a. Dissolving a cellulosic raw material, for example pulp, to obtain a solution containing 10 to 15% by weight of cellulose;
b. Extrusion der in Schritt a. erhaltenen Celluloselösung ohne Luftspalt direkt in ein Fällbad;  b. Extrusion of in step a. obtained cellulose solution without air gap directly into a precipitation bath;
c. Regenerationsprozess, wobei beim Eintritt der Celluloselösung ins Fällbad die Differenz der NMMO-Konzentrationen von Celluloselösung und Fällbad 15 - 78 Gew.-%, bevorzugt 40 - 70 Gew.-%, und die Differenz der Temperatur von Celluloselösung und Fällbad 50 - 120 K, bevorzugt 70 - 120 K, besonders bevorzugt 80 - 120 K betragen sollen;  c. Regeneration process, wherein upon entry of the cellulose solution into the precipitation bath, the difference in the NMMO concentrations of cellulose solution and precipitation bath 15-78 wt .-%, preferably 40-70 wt .-%, and the difference in temperature of cellulose solution and precipitation bath 50 - 120 K, preferably 70 to 120 K, particularly preferably 80 to 120 K to amount;
d. Waschprozess gemäß dem Perkolationsprinzip mit mindestens einem alkalischen Waschschritt, bevorzugt bei pH 9-13;  d. Washing process according to the percolation principle with at least one alkaline washing step, preferably at pH 9-13;
e. optional einem Trocknungsprozess, durch den die Außenhaut der Formkörper nicht abrasiv verletzt wird; wobei die in Punkt d.) genannte Wäsche bevorzugt mehrstufig und im  e. optionally a drying process by which the outer skin of the molded body is not damaged abruptly; the laundry mentioned in point d.) is preferably multi-stage and in the
Gegenstrom erfolgt und mindestens einen alkalischen Schritt enthält. Die auf diese Weise hergestellten cellulosischen Formkörper weisen eine optisch feststellbare Kern-Mantel-Struktur auf. Countercurrent takes place and contains at least one alkaline step. The cellulosic shaped bodies produced in this way have an optically detectable core-shell structure.
Als Löseprozesse kommen etwa das Viskose-, das Lyocell- oder das As dissolution processes come about the viscose, the lyocell or the
Cuprammonium-Verfahren in Betracht; auch Lösen der Cellulose in NaOH oder geeigneten ionischen Flüssigkeiten ist möglich. Generell ist das hier beschriebene Verfahren nicht auf bestimmte Lösemittel bzw. Prozesse eingeschränkt, sondern durch den Einsatz unterschiedlicher Verfahren kann die Struktur der erhaltenen Partikel zusätzlich beeinflusst werden. Bevorzugt ist jedoch das dem Fachmann grundsätzlich bekannte Lyocell-Verfahren, beschrieben unter anderem in der EP 0356419. Bei Anwendung des Lyocell- Verfahrens ist darauf zu achten, daß in beim Eintritt der Celluloselösung ins Fällbad die Differenz der NMMO-Konzentrationen von Celluloselösung und Fällbad 15 - 78 Gew.-%, bevorzugt 40 - 70 Gew.-%, und die Differenz der Temperatur von Celluloselösung und Fällbad 50 - 120 K, bevorzugt 70 - 120 K, besonders bevorzugt 80 - 120 K betragen sollen. Ausgehend von der Celluloselösung erfolgt die Formgebung, bei der - insbesondere im Fällungsprozess - darauf zu achten ist, dass sich keine faserigen Strukturen ausbilden. Dies ist keine triviale Anforderung, da Cuprammonium process into consideration; It is also possible to dissolve the cellulose in NaOH or suitable ionic liquids. In general, the method described here is not limited to specific solvents or processes, but by using different methods, the structure of the resulting particles can be additionally influenced. However, preference is given to the lyocell process which is fundamentally known to the person skilled in the art and is described, inter alia, in EP 0356419. When using the lyocell process, care should be taken to ensure that the difference between the NMMO concentrations of cellulose solution and precipitation bath 15 occurs when the cellulose solution enters the precipitation bath - 78 wt .-%, preferably 40 - 70 wt .-%, and the difference in temperature of cellulose solution and precipitation bath 50 - 120 K, preferably 70 - 120 K, particularly preferably 80 - 120 K should be. Based on the cellulose solution, the shaping takes place, in which - especially in the precipitation process - care must be taken to ensure that no fibrous structures are formed. This is not a trivial requirement because
Cellulose aufgrund ihrer makromolekularen Struktur bestrebt ist, faserige Domänen auszubilden. Gelöst wird dieses Problem dadurch, dass die Cellulose, because of its macromolecular structure, seeks to form fibrous domains. This problem is solved by the fact that the
Celluloselösung zunächst ohne wesentliche Scherung in die gewünschte Form gebracht wird und anschließend auch die Regenerationsbedingungen entsprechend gewählt werden. Dabei ist unbedingt erforderlich, dass die Celluloselösung direkt, d. h. ohne Luftspalt, in ein Fällbad extrudiert wird und die Zerkleinerung des Lösungsstranges auf eine Weise stattfindet, die im Wesentlichen gleichgroße Partikel ergibt. Geeignete Aggregate für diesen Schritt sind etwa Unterwasser- oder Stranggranulatoren, womit sich neben sphärischen Partikeln auch Zylinder, Drehellipsoide und Ovoide erzeugen lassen. Die eben erwähnten Aggregate erfüllen auch die zusätzlichen Cellulose solution is first brought into the desired shape without significant shearing and then the regeneration conditions are selected accordingly. It is essential that the cellulose solution directly, d. H. without an air gap, is extruded into a precipitation bath and the comminution of the solution strand takes place in a manner which results in substantially equal particles. Suitable aggregates for this step are, for example, underwater or stranded granulators, which in addition to spherical particles also produce cylinders, angular ellipsoids and ovoids. The aforementioned units also meet the additional
Anforderungen an den Herstellungsprozess. Die erzeugten Partikel sollen nämlich eine möglichst einheitliche Größe aufweisen, wobei sich die Requirements for the manufacturing process. The particles produced are supposed to have as uniform a size as possible, with the
Eigenschaften über die Verfahrensparameter steuern lassen. Gleichzeitig soll das Verfahren einen hohen Durchsatz aufweisen. Control properties via the process parameters. At the same time, the process should have a high throughput.
Granulate unterschiedlicher Größe können aus Lyocell-Spinnmasse beispielsweise mit einem Unterwassergranulator der Firma Econ vom Typ EUP50 hergestellt werden. Die erzeugten Kügelchen können dabei über einen mechanischen Zentrifugaltrockner vom Prozesswasser getrennt werden. In anderen Ausführungen können solche Fest-Flüssig-Trennungen z.B. mittels Hydrozyklon, Schubzentrifugen oder auch durch Siebe Granules of different sizes can be made from Lyocell dope, for example, with an EUP50 type underwater granulator from Econ. The beads produced can be separated from the process water via a mechanical centrifugal dryer. In other embodiments, such solid-liquid separations may be e.g. by hydrocyclone, pusher centrifuges or by sieves
bewerkstelligt werden. Granulatoren sind in verschiedenen Größen am Markt erhältlich und durch die Einfachheit des Verfahrens zur Granulierung von Spinnmasse ist die Hochskalierung auf großtechnischen Maßstab relativ einfach. So können z.B. mit einem einzigen Granulator des Typs EUP 3000 etwa 5000 Tonnen Kügelchen pro Jahr produziert werden. Weiters stehen von anderen Herstellern noch wesentlich größere Maschinen zur Verfügung. be accomplished. Granulators are available in a variety of sizes on the market, and due to the simplicity of the process of granulation of dope, upscaling on an industrial scale is relatively easy. Thus, e.g. with a single pelletizer of the type EUP 3000 about 5000 tons of pellets are produced per year. Furthermore, there are much larger machines available from other manufacturers.
In einer weiteren Ausführung können auch mit speziellen Lyocell-Düsen mit Düsenlochdurchmessern von 0,5 bis 5 mm Cellulosestränge gefertigt werden, die nach einer Waschstrecke einem Stranggranulator zugeführt werden. In a further embodiment, cellulose strands can also be produced with special Lyocell nozzles with nozzle hole diameters of 0.5 to 5 mm, which are fed to a strand pelletizer after a washing cycle.
Kritisch in dieser Hinsicht sind das Auswaschen, die Zuführung und der Einzug der einzelnen Stränge in den Stranggranulator, da die Stränge sehr flexibel sind. Auf diese Weise können zylinderförmige Granulate erhalten werden. Critical in this regard are the washing out, the feeding and the feeding of the individual strands into the strand granulator, since the strands are very flexible. In this way, cylindrical granules can be obtained.
Großen Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Partikel hat auch die Viskosität der Celluloselösung, da diese normalerweise auch die The viscosity of the cellulose solution also has a great influence on the properties of the particles obtained, since these normally also have the viscosity
Viskositätsdifferenz zwischen Celluloselösung und Fällbad dominiert. Das Fällbad ist bevorzugt wässerig (mit einer Viskosität im Bereich von 1 Pa*s), allerdings kann durch Zugabe von Verdickern (Polymeren) auch die Viskosität des Fällbades deutlich erhöht werden. Ein geringerer Viskositätsunterschied führt zu einem dünneren Mantel. Erfindungsgemäß ist ein Viscosity difference between cellulose solution and precipitation bath dominates. The precipitation bath is preferably aqueous (with a viscosity in the range of 1 Pa * s), but the viscosity of the precipitation bath can be increased significantly by adding thickeners (polymers). A smaller difference in viscosity leads to a thinner coat. According to the invention is a
Viskositätsunterschied zwischen Celluloselösung und Fällbad von mind. 600 Pa.s, bevorzugt im Bereich 750 - 1200 Pa.s. (bezogen auf die Nullviskosität). Viscosity difference between cellulose solution and precipitation bath of at least 600 Pa.s, preferably in the range 750-1200 Pa.s. (based on the zero viscosity).
Die Dicke des Mantels wird entscheidend durch die NMMO- Konzentrationsdifferenz beim Eintritt der Celluloselösung in das Fällbad beeinflusst. Je größer diese ist, desto dicker wird der Mantel der so The thickness of the shell is decisively influenced by the NMMO concentration difference when the cellulose solution enters the precipitation bath. The larger this is, the thicker the coat gets
hergestellten Formkörper. Die Konzentrationsdifferenz wird maximal, wenn als Fällbad reines Wasser verwendet wird und das Fällbad an der Eintrittsstelle der Celluloselösung so gut durchmischt wird, dass sämtliches austretendes NMMO sofort wegtransportiert wird. produced moldings. The difference in concentration becomes maximum when pure water is used as the precipitation bath and the precipitation bath at the point of entry of the cellulose solution is thoroughly mixed so that all outgoing NMMO is immediately transported away.
Die Dicke des Mantels wird auch durch die Temperaturdifferenz beim Eintritt der Celluloselösung in das Fällbad beeinflusst. Je größer diese ist, desto dicker wird der Mantel der erfindungsgemäß hergestellten Granulate. The thickness of the jacket is also influenced by the temperature difference when the cellulose solution enters the precipitation bath. The larger this is, the thicker the jacket of the granules produced according to the invention becomes.
Neben der Möglichkeit der Unterwassergranulierung in einem flüssigen Fällbad besteht auch die Möglichkeit der Koagulation in einem gasförmigen Medium. In addition to the possibility of underwater granulation in a liquid precipitation bath, there is also the possibility of coagulation in a gaseous medium.
Das bevorzugte Verfahrensprinzip für das Auswaschen der Formkörper im großtechnischen Maßstab ist die Gegenstromwäsche, um die notwendige Waschwassermenge und die Rückgewinnungskosten in Grenzen zu halten. Um die geforderte Reinheit der Formkörper zu erreichen, sind dafür 10 bis 12 Waschstufen notwendig. Bei geringen NMMO-Restgehalten ist außerdem die Erhöhung der Waschwassertemperatur vorteilhaft. Bevorzugt ist hier eine Waschwassertemperatur von 60°C bis 100°C. Um auch geringe Mengen an Abbauprodukten des Lösungsmittels effizient zu entfernen, ist zusätzlich ein alkalischer Schritt notwendig, wobei bevorzugt pH-Werte von 9-13 verwendet werden. The preferred process principle for washing out the moldings on an industrial scale is the countercurrent washing in order to keep the necessary amount of wash water and the recovery costs within limits. In order to achieve the required purity of the moldings, 10 to 12 washing stages are necessary for this. In addition, with low residual NMMO contents, increasing the wash water temperature is advantageous. A washing water temperature of 60 ° C. to 100 ° C. is preferred here. In order to remove even small amounts of decomposition products of the solvent efficiently, an alkaline step is additionally necessary, wherein preferably pH values of 9-13 are used.
Die durch diese zweite Verfahrensvariante hergestellten Cellulose-Il- Formkörper sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine optisch feststellbare Kern-Mantel-Struktur aufweisen, wobei der Mantel eine höhere Dichte und eine niedrigere Kristallinität als der Kern aufweist und der Kern eine schwammähnliche Struktur aufweist. Bevorzugt weist der Mantel eine relative Dichte von 65% bis 85% und der Kern eine relative Dichte von 20% bis 60% - jeweils bezogen auf kompakte Cellulose - auf. Ebenfalls bevorzugt beträgt die Manteldicke zwischen 50 μιη und 200 μιη. Unter anderem kann das Verhältnis von Manteldicke zu Gesamtdurchmesser des Formkörpers zwischen 1 :5 und 1 :50 betragen. Herstellungsbedingt wird das Verhältnis der Halbachsen des ellipsoiden Formkörpers 3:1 nicht übersteigen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sollen erfindungsgemäße Cellulosepartikel mit einer solchen Form, d.h. ellipsoide Formkörper mit einem Verhältnis der Halbachsen von kleiner oder gleich 3:1 als„Kugelgranulat" bezeichnet werden. The cellulose II molded bodies produced by this second process variant are characterized in that they have an optically detectable core-shell structure, wherein the shell has a higher density and a lower crystallinity than the core and the core has a sponge-like structure. Preferably, the sheath has a relative density of 65% to 85% and the core has a relative density of 20% to 60%, based in each case on compact cellulose. Also preferably, the jacket thickness between 50 μιη and 200 μιη. Among other things, the ratio of shell thickness to total diameter of the molding can be between 1: 5 and 1:50. Due to the production, the ratio of the semiaxes of the ellipsoidal shaped body 3: 1 will not exceed. For the purposes of the present invention, cellulose particles of the invention having such a shape, i. ellipsoidal shaped bodies with a ratio of the semi-axes of less than or equal to 3: 1 are referred to as "spherical granules".
Die so erhaltenen Kugelgranulate können je nach gewünschter Endgröße noch grob oder fein vermählen werden. The spherical granules thus obtained can be coarsely or finely ground depending on the desired final size.
Für die Partikel, die nach einer der beiden oben beschriebenen For the particles following one of the two above
Verfahrensvarianten hergestellt werden, soll als Oberbegriff für die Zwecke der vorliegenden Erfindung der Begriff„nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur" verwendet. Dies soll insbesondere zur Abgrenzung von den im oben zitierten Stand der Technik bekannten Cellulose-Il-Partikeln dienen, die aus Lyocell- oder Viskosefasern durch Zerkleinerung hergestellt werden und daher stets eine zylindrische Form aufweisen (siehe Fig. 1 und 2). Insbesondere aus Fig. 2 geht hervor, dass selbst bei sehr feiner As a generic term for the purposes of the present invention, the term "non-cylindrical cellulose particles having a cellulose II structure" is used, this being intended in particular to differentiate from the cellulose II particles known in the above cited prior art, which are made of lyocell or viscose fibers by comminution and therefore always have a cylindrical shape (see Figs. 1 and 2). In particular from Fig. 2 shows that even at very fine
Vermahlung von Cellulosefasern die resultierenden Carbonpartikel weiterhin eine zylindrische Form aufweisen. Als zylindrische Form soll dabei auch eine mit einem gelappten Querschnitt verstanden werden, wie sie beim Zerkleinern von Viskosefasern entsteht (siehe z.B. Figur 2 in Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63) Milling of cellulose fibers, the resulting carbon particles continue to have a cylindrical shape. A cylindrical shape should also be understood to mean one with a lobed cross-section, as is the case when viscose fibers are comminuted (see, for example, FIG. 2 in Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63).
Erfindungsgemäß können die nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellten cellulosischen Formkörper zur Herstellung von Carbonpartikeln verwendet werden, wobei zumindest ein Hitzebehandlungsschritt notwendig ist. According to the invention, the cellulosic shaped bodies produced by the processes described above can be used to produce carbon particles, at least one heat treatment step being necessary.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens erfolgt die In a preferred embodiment of this method, the
Hitzebehandlung in Inertgasatmosphäre. In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Hitzebehandlung in einer Heat treatment in an inert gas atmosphere. In a further likewise preferred embodiment, the heat treatment is carried out in one
aktivierenden Atmosphäre. Besonders bevorzugt besteht die aktivierende Atmosphäre im Wesentlichen aus Wasserdampf oder Kohlendioxid. activating atmosphere. Particularly preferably, the activating atmosphere consists essentially of water vapor or carbon dioxide.
Als Hitzebehandlung ist auch eine Kombination mehrerer As a heat treatment is also a combination of several
Hitzebehandlungsschritte möglich und in vielen Fällen sogar besonders vorteilhaft. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in der Verwendung der genannten cellulosischen Formkörper zur Karbonisierung und Aktivierung, wobei zumindest die folgenden Prozessschritte notwendig sind: Heat treatment steps possible and in many cases even particularly advantageous. A preferred embodiment consists in the use of said cellulosic moldings for carbonization and activation, wherein at least the following process steps are necessary:
Brandschutzvorbehandlung, Karbonisierung und Aktivierung. Je nach gewünschter Form des Endprodukts oder gegebenenfalls auch zur Fire protection pretreatment, carbonation and activation. Depending on the desired shape of the final product or possibly also for
Optimierung bei einem nachfolgenden zweiten Hitzebehandlungsschritt können noch Zerkleinerungsschritte hinzukommen. Optimization in a subsequent second heat treatment step may be added to comminution steps.
Eine bevorzugte Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht beispielsweise in einem Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur, wobei als Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur eingesetzt werden, A preferred solution to the above-described problem consists, for example, in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor,
a. die Cellulosepartikel optional einer Brandschutzvorbehandlung unterzogen werden,  a. the cellulose particles are optionally subjected to a fire protection pretreatment,
b. Eine erste Hitzebehandlung in Inertgasatmosphäre erfolgt, c. Optional eine Zerkleinerung der in Stufe b. erhaltenen Partikel erfolgt, b. A first heat treatment in an inert gas atmosphere, c. Optionally, a shredding of the in step b. obtained particles,
d. Eine weitere Hitzebehandlung der so erhaltenen Partikel in einer aktivierenden Atmosphäre erfolgt,  d. A further heat treatment of the particles thus obtained takes place in an activating atmosphere,
e. Und optional eine Zerkleinerung der in Stufe d. erhaltenen Partikel erfolgt.  e. And optionally a shredding of the in step d. obtained particles takes place.
Eine besonders bevorzugte Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur, wobei als Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur eingesetzt werden, A particularly preferred solution of the above-described object consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor,
a. die Cellulosepartikel einer Brandschutzvorbehandlung unterzogen werden,  a. the cellulose particles are subjected to a fire protection pretreatment,
b. Eine erste Hitzebehandlung in Inertgasatmosphäre erfolgt, c. eine Zerkleinerung der in Stufe b. erhaltenen Partikel erfolgt, d. Eine weitere Hitzebehandlung der so erhaltenen Partikel in einer aktivierenden Atmosphäre erfolgt,  b. A first heat treatment in an inert gas atmosphere, c. a shredding of the in step b. obtained particles, d. A further heat treatment of the particles thus obtained takes place in an activating atmosphere,
e. Und eine Zerkleinerung der in Stufe d. erhaltenen Partikel erfolgt.  e. And a shredding of the stage d. obtained particles takes place.
Eine weitere bevorzugte Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur, wobei als Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur eingesetzt werden, A further preferred solution of the above-described object consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor,
a. die Cellulosepartikel optional einer Brandschutzvorbehandlung unterzogen werden,  a. the cellulose particles are optionally subjected to a fire protection pretreatment,
b. Eine Hitzebehandlung in Inertgasatmosphäre erfolgt und c. eine Zerkleinerung der in Stufe b. erhaltenen Partikel erfolgt.  b. A heat treatment in an inert gas atmosphere takes place and c. a shredding of the in step b. obtained particles takes place.
Eine weitere mögliche Lösung der oben beschriebenen Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur, wobei als Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il-Struktur eingesetzt werden, die Cellulosepartikel einer Brandschutzvorbehandlung, bevorzugt durch Imprägnierung mit einer wässrigen Lösung eines Phosphates, unterzogen werden, und abschließend eine Hitzebehandlung in aktivierender Atmosphäre erfolgt. Mit dieser Variante werden relativ große Carbonpartikel erhalten, da keine Zerkleinerungsschritte stattfinden. Natürlich kann auch ein Zerkleinerungsschritt hinzugefügt werden, um entsprechend kleinere Carbonpartikel zu erhalten. Beispielsweise zeigt Fig. 3 ein erfindungsgemäßes zerkleinertes, karbonisiertes und aktiviertes Kugelgranulat, während Fig. 4 ein erfindungsgemäßes karbonisiertes und aktiviertes, nicht weiter zerkleinertes Kugelgranulat zeigt, bei dem die Kern- Mantel-Struktur des ursprünglichen Precursors noch deutlich zu erkennen ist. A further possible solution to the above-described problem consists in a process for the production of carbon particles from precursors with cellulose II structure, non-cylindrical cellulose particles having cellulose II structure being used as precursor, the cellulose particles being subjected to fire protection pretreatment, preferably by impregnation one aqueous solution of a phosphate, and finally a heat treatment in activating atmosphere takes place. With this variant, relatively large carbon particles are obtained since no comminution steps take place. Of course, a crushing step can also be added to obtain correspondingly smaller carbon particles. For example, Fig. 3 shows an inventive crushed, carbonized and activated ball granules, while Fig. 4 shows an inventive carbonized and activated, not further crushed ball granules, in which the core-shell structure of the original precursor is still clearly visible.
Die Brandschutzvorbehandlung kann entweder eine thermische Oxidation bei Temperaturen von 150°C - 400°C unter Luftatmosphäre oder eine The fire protection pretreatment can either be a thermal oxidation at temperatures of 150 ° C - 400 ° C under an air atmosphere or a
Imprägnierung mit einer Lösung eines Brandschutzmittels, wie z.B. Impregnation with a solution of a fire retardant, e.g.
Phosphaten, beispielsweise Diammoniumhydrogenphosphat (DAHP) oder wässriges Kaliumhydroxid (KOH) sein. Dadurch wird eine Schutzschicht auf der Partikeloberfläche aufgebaut, durch die sowohl strukturelle Phosphates, for example Diammoniumhydrogenphosphat (DAHP) or aqueous potassium hydroxide (KOH). As a result, a protective layer is built up on the particle surface, through which both structural
Verbesserungen als vor allem auch höhere Ausbeuten bei der Karbonisierung resultieren. Improvements as above all also higher yields in the carbonization result.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der das Brandschutzmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, enthaltend Diammoniumhydrogenphosphat (DAHP) und Kaliumhydroxid (KOH). Preferred is an embodiment of the method according to the invention, wherein the fire retardant is selected from the group containing diammonium hydrogen phosphate (DAHP) and potassium hydroxide (KOH).
Die Karbonisierung kann im Batch- oder im kontinuierlichen Verfahren unter inerter Atmosphäre wie z.B. Stickstoff durchgeführt werden. Wesentliche Elemente dabei sind die Aufheizrate, die maximale Temperatur, die The carbonization may be batch or continuous in an inert atmosphere such as e.g. Nitrogen be performed. Essential elements here are the heating rate, the maximum temperature, the
Verweilzeit bei maximaler Temperatur und die Abkühlphase, wie auch der Volumenstrom des Spülgases. In Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63, ist ein solcher, geeigneter Batchprozess beschrieben. Im kontinuierlichen Verfahren werden z.B. Precursorpartikel im Vorlagebehälter mit Stickstoff gespült und damit inertisiert und anschließend durch eine gekühlte Förderschnecke in einen Drehrohofen eingebracht. Die Partikel durchlaufen dann z.B. drei Temperaturzonen, z.B. 400°C, 900°C, 200° und werden im Anschluss noch unter Inertgas abgekühlt. Durch Vorbehandlung und Aufheizrate können die Eigenschaften der resultierenden Karbonpartikel beeinflusst werden, wie z.B. der resultierende C-Gehalt, der je nach Vorbehandlung zwischen 80% und 99 % einstellbar ist. Residence time at maximum temperature and the cooling phase, as well as the volume flow of purge gas. In Lenzinger Berichte, 90, 2012, 58-63, such a suitable batch process is described. In the continuous process, for example, precursor particles are purged with nitrogen in the storage tank and thus rendered inert and then introduced through a cooled screw conveyor into a rotary kiln. The particles then pass through, for example, three temperature zones, for example 400 ° C., 900 ° C., 200 °, and are subsequently cooled under inert gas. By pretreatment and heating rate, the properties of the resulting carbon particles can be influenced, such as the resulting C content, which can be set between 80% and 99% depending on the pre-treatment.
Der Aktivierungsschritt kann entweder direkt mit dem Precursor oder auch mit bereits karbonisierten Partikeln durchgeführt werden. Eine Vorbehandlung mit z.B. Phosphaten erhöht die Ausbildung von aktiver Oberfläche (siehe Beispiel 1). Wie bei der Karbonisierung sind wesentliche Elemente des The activation step can be carried out either directly with the precursor or with already carbonized particles. A pretreatment with e.g. Phosphates increase the formation of active surface area (see Example 1). As with the carbonization are essential elements of the
Aktivierungsschrittes die Aufheizrate, die maximale Temperatur, die Activation step the heating rate, the maximum temperature, the
Verweilzeit bei maximaler Temperatur und vor allem die Art und der Residence time at maximum temperature and especially the type and the
Volumenstrom des Spül- bzw. Aktivierungsgases. Als Aktivierungsgase können z.B. Kohlendioxid oder Wasserdampf eingesetzt werden. In einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher die aktivierende Atmosphäre während der Hitzebehandlung im Wesentlichen aus Wasserdampf oder Kohlendioxid. Volume flow of the purge or activation gas. As activating gases, e.g. Carbon dioxide or water vapor can be used. In a preferred form of the method according to the invention, therefore, the activating atmosphere during the heat treatment consists essentially of water vapor or carbon dioxide.
Bei Vorbehandlung der Precursor mit KOH wird die thermische Aktivierung bevorzugt im Inertgasstrom ausgeführt werden. Die Aktivierung kann dabei im Drehrohrofen erfolgen, wobei die Rotation eine gleichförmige Aktivierung gewährleisten soll. Durch Vorbehandlung, maximale Temperatur und When pretreating the precursor with KOH, the thermal activation will preferably be carried out in an inert gas stream. The activation can be done in the rotary kiln, the rotation should ensure a uniform activation. By pretreatment, maximum temperature and
Verweilzeit wird die Ausbildung der aktiven Oberfläche gesteuert. Ein Maß für die aktive Oberfläche kann der BET-Wert in m2/g sein. Eine andere Dwell time, the formation of the active surface is controlled. A measure of the active surface area may be the BET value in m 2 / g. Another
Möglichkeit der Charakterisierung der Carbonpartikel ist die Messung der elektrischen Kapazität mittels cyclischer Voltametrie von Zweielektroden- oder Dreielektrodenzellen bei 1 bzw. 1 ,5 V mit einer Scanrate von 20mV/s. Possibility to characterize the carbon particles is the measurement of the electrical capacitance by means of cyclic voltammetry of two-electrode or three-electrode cells at 1 or 1, 5 V with a scan rate of 20mV / s.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von nichtzylindrischen Cellulosepartikeln mit Cellulose-Il-Struktur zur Herstellung von Carbonpartikeln mittels des oben beschriebenen Verfahrens. Another aspect of the present invention is the use of cellulosic cellulose non-cylindrical cellulose particles to produce carbon particles by the method described above.
Die auf diese Weise hergestellten nicht-zylindrischen Carbonpartikel können unter anderem zur Herstellung von Elektroden in modernen Energiespeichermedien eingesetzt werden, bei denen es auf hohe Lade- und Entladegeschwindigkeit ankommt, beispielsweise für Batterien und Superkondensatoren in Fahrzeugen mit Elektroantrieb oder Start-Stop- Funktion. Auch für die sogenannten „Supercabatteries" - Hybridsysteme zwischen Superkondensatoren und Batterien - sind die erfindungsgemäß hergestellten Carbonpartikel geeignet. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind Verwendungen als Filtermedium, vor allem für die Filtration von Gasen, Luft und Flüssigkeiten sowie als Speichermedium für Gase, beispielsweise für Wasserstoff. The non-cylindrical carbon particles produced in this way can be used, inter alia, for the production of electrodes in modern energy storage media which require high charging and discharging rates, for example for batteries and supercapacitors in vehicles with electric drive or start-stop function. Also for the so-called "supercabatteries" - hybrid systems between supercapacitors and batteries - the carbon particles produced according to the invention are suitable. Other uses include uses as a filter medium, especially for the filtration of gases, air and liquids as well as storage medium for gases, such as hydrogen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle anderen Ausführungsformen, die auf dem gleichen erfinderischen Konzept beruhen. In the following the invention will be described by way of examples. However, the invention is expressly not limited to these examples, but includes all other embodiments based on the same inventive concept.
Beispiele Examples
Beispiel 1 : Aktivierung von Lyocellfasern mit und ohne Vorbehandlung Example 1: Activation of lyocell fibers with and without pretreatment
Verwendete Precursor: Kommerziell erhältliche Tencel®-Faser 1 ,7 dtex/38 mm Schnittlänge Precursors used: Commercially available Tencel® fiber 1, 7 dtex / 38 mm cut length
Vorbehandlung: Imprägnierung der Lyocellfasern mit einer wässrigen Lösung von Diammoniumhydrogenphosphat (2 Gew.-%, bezogen auf Cellulose), und anschließende Trockung bei 70°C im Vakuum. Pretreatment: Impregnation of the lyocell fibers with an aqueous solution of diammonium hydrogen phosphate (2% by weight, based on cellulose), followed by drying at 70 ° C. under reduced pressure.
Heiz- & Abkühlrate °C/min 3 Heating and cooling rate ° C / min 3
T max °C 850 T max ° C 850
Verweilzeit Karbonisierung min 30 Residence time carbonation min. 30
Verweilzeit Aktivierung min 60-180 Residence time activation min 60-180
Gasstrom Argon l/h 36 Gas flow argon l / h 36
Gasstrom Kohlendioxid l/h 24 Gas stream carbon dioxide l / h 24
DAHP auf Lyocell % 2 DAHP on lyocell% 2
Die Charakterisierung erfolgte über Ausbeute und aktive Oberfläche mittels BET-Messung (Meßgerät BELsorp mini II). Tabelle 1 : The characterization was carried out via yield and active surface by means of BET measurement (measuring device BELsorp mini II). Table 1 :
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Die Versuche des Beispiels 1 zeigen, dass durch die Vorbehandlung sowohl die Ausbeute als auch die aktive Oberfläche erhöht wird. Durch eine längere Verweilzeit in der Karbonisierung wird zwar die aktive Oberfläche erhöht, aber die Ausbeute sinkt. Diese Erkenntnis ist unverändert von Lyocellfasern auf nicht-zylindrische Lyocellpartikel als Precursor übertragbar. The experiments of Example 1 show that both the yield and the active surface are increased by the pretreatment. By a longer residence time in the carbonation, although the active surface is increased, but the yield decreases. This finding is unchanged from Lyocell fibers to non-cylindrical lyocell particles as a precursor transferable.
Beispiel 2: Aktivierung von Lyocellfasern und Lyocell-Kugelgranulat im Example 2: Activation of lyocell fibers and lyocell pellets in
Vergleich  comparison
Kommerziell erhältliche Lyocellfasern sowie verschiedene, nach der oben beschriebenen Methode hergestellte Lyocell-Kugelgranulate wurden unter gleichen Bedingungen vorbehandelt, karbonisiert und aktiviert. Die elektrische Kapazität der Produkte wurde mittels cyclischer Voltametrie bei 1 ,5 V mit einer Scanrate von 20mV/s in einer Zweielektrodenzelle mit folgendem Commercially available lyocell fibers as well as various lyocell pellets produced by the method described above were pretreated, carbonated and activated under the same conditions. The electrical capacitance of the products was determined by cyclic voltammetry at 1.5 V with a scan rate of 20 mV / s in a two-electrode cell with the following
Aufbau gemessen: Stromkollektor (Aluminiumfolie) - Aktivkohle-Elektrode - Elektrolyt (1 ,8 mol/l Triethylmethylammoniumtetraborat in Propylencarbonat) - Separator - Aktivkohle-Elektrode - Stromkollektor (Aluminiumfolie).  Composition measured: current collector (aluminum foil) - activated carbon electrode - electrolyte (1, 8 mol / l Triethylmethylammoniumtetraborat in propylene carbonate) - separator - activated carbon electrode - current collector (aluminum foil).
Getestete Precursor: Kommerziell erhältliche Tencel®-Faser 1 ,7 dtex/38 mm Schnittlänge, Lyocell-Kugelgranulat unvermahlen mit 1 mm Durchmesser, Lyocell-Kugelgranulat grob vermählen (100 pm durchschnittliche Tested Precursors: Commercially available Tencel® fiber 1, 7 dtex / 38 mm cut length, Lyocell granules unmilled 1 mm in diameter, coarse milled Lyocell granules (100 pm average
Partikelgröße), Lyocell-Kugelgranulat fein vermählen (8 pm durchschnittliche Partikelgröße). Die Lyocell-Kugelgranulate wurden nach der in der obigen Beschreibung dargestellten Methode hergestellt. Die Bestimmung der Partikelgröße erfolgte mit einem Laserbeugungsmessgerät. Particle size), finely ground lyocell granules (8 pm average particle size). The lyocell pellets were prepared as described in the above Description shown method produced. The determination of the particle size was carried out with a laser diffraction meter.
Heiz- & Abkühlrate °C/min 10 Heating and cooling rate ° C / min 10
T max °C 850 Verweilzeit Karbonisierung min 30 T max ° C 850 residence time carbonation min. 30
Verweilzeit Aktivierung min 150 Residence time activation min. 150
Gasstrom Kohlendioxid l/h 60 Gas stream carbon dioxide l / h 60
DAHP auf Lyocell % 2 DAHP on lyocell% 2
Tabelle 2: Table 2:
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Die Versuche des Beispiels 2 zeigen, dass Lyocell-Kugelgranulate unter gleichen Bedingungen eine ähnlich gute Aktivierbarkeit wie Lyocell-Fasern zeigen.  The experiments of Example 2 show that lyocell pellets show a similar good activability as lyocell fibers under the same conditions.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Carbonpartikeln aus Precursoren mit Cellulose-Il-Struktur durch Hitzebehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß als Precursor nicht-zylindrische Cellulosepartikel mit Cellulose-Il- Struktur eingesetzt werden.  1. A process for the preparation of carbon particles from precursors with cellulose-II structure by heat treatment, characterized in that are used as precursor non-cylindrical cellulose particles with cellulose-II structure.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die Hitzebehandlung in Inertgasatmosphäre erfolgt.  2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is carried out in an inert gas atmosphere.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die Hitzebehandlung in einer aktivierenden Atmosphäre erfolgt.  3. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is carried out in an activating atmosphere.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die aktivierende Atmosphäre im Wesentlichen aus Wasserdampf oder Kohlendioxid besteht.  4. The method of claim 3, wherein the activating atmosphere consists essentially of water vapor or carbon dioxide.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Cellulosepartikel vor der Hitzebehandlung einer Brandschutzvorbehandlung unterzogen werden. 5. The process according to claim 1, wherein the cellulose particles are subjected to a fire protection pretreatment before the heat treatment.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Brandschutzvorbehandlung eine Imprägnierung der Cellulosepartikel mit einer Lösung eines Brandschutzmittels ist. 6. The method according to claim 5, wherein the fire protection pretreatment is an impregnation of the cellulose particles with a solution of a fire retardant.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Brandschutzmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, enthaltend Diammoniumhydrogenphosphat (DAHP) und Kaliumhydroxid (KOH).  7. The method according to claim 6, wherein the fire retardant is selected from the group comprising diammonium hydrogen phosphate (DAHP) and potassium hydroxide (KOH).
8. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Brandschutzvorbehandlung eine thermische Oxidation der Cellulosepartikel bei Temperaturen von 150°C - 400°C unter Luft ist.  8. The method according to claim 5, wherein the fire protection pretreatment is a thermal oxidation of the cellulose particles at temperatures of 150 ° C - 400 ° C under air.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei nach der Hitzebehandlung eine Zerkleinerung der durch die Hitzebehandlung erhaltenen Partikel erfolgt. 9. The method according to claim 1, wherein after the heat treatment, a comminution of the particles obtained by the heat treatment takes place.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei 10. The method according to claim 1, wherein
a. die Cellulosepartikel optional mit einer Lösung eines Brandschutzmittels imprägniert werden,  a. the cellulose particles are optionally impregnated with a solution of a fire retardant,
b. Eine erste Hitzebehandlung in Inertgasatmosphäre erfolgt, c. Optional eine Zerkleinerung der in Stufe b. erhaltenen Partikel erfolgt,  b. A first heat treatment in an inert gas atmosphere, c. Optionally, a shredding of the in step b. obtained particles,
d. Eine weitere Hitzebehandlung der so erhaltenen Partikel in einer aktivierenden Atmosphäre erfolgt, e. Und optional eine Zerkleinerung der in Stufe d. erhaltenen Partikel erfolgt. d. A further heat treatment of the particles thus obtained takes place in an activating atmosphere, e. And optionally a shredding of the in step d. obtained particles takes place.
11. Verwendung von nicht-zylindrischen Cellulosepartikeln mit Cellulose-Il- Struktur zur Herstellung von Carbonpartikeln mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 1.  11. Use of non-cylindrical cellulose particles with cellulose-II structure for the production of carbon particles by means of a method according to claim 1.
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