Entwicklung von kompositgalvanogeformten Lithiumlegierungsanoden und Stromsammlern mit Polymer-Korrosionsschutzschichten für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation (KGF-PoKo-LIB)

Für das Gelingen der Energiewende spielen Energie-speichersysteme eine entscheidende Rolle. Ein Schlüssel zur Entwicklung nachhaltiger und ökologisch verträglicher Energiespeicherlösungen sind die Erforschung von Verfahren zur ressourcenschonenden Herstellung von langlebigen und leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Gemeinsam mit dem Zentrum Elektrochemische Oberflächentechnik (ZEO) der Hochschule Aalen sollen in diesem Projekt Lösungen für zwei Herausforderungen der Lithium-Ionen-Batterien gefunden werden – die Erhöhung der Kapazität der Anode und die Verhinderung von Korrosion am Stromsammler der Kathode.

Projektziele und Innovationsgehalt

Entwicklung einer kompositgalvanogeformten
Lithiumlegierungsanode
Entwicklung einer Korrosionsschutzschicht auf Aluminiumfolie
Elektrochemische Charakterisierung

Detaillierte Informationen zum Projekt finden Sie im Pdf.

DANKSAGUNG

Das IGF-Projekt 01IF24319N wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung antiviraler Eloxaloberflächen

Die globale SARS-CoV2-Pandemie legte einen immensen zusätzlichen Bedarf an antiviralen Oberflächen in nahezu allen Situationen des täglichen Lebens offen. Insbesondere in öffentlichen, medizinischen und hochfrequentierten Bereichen werden zukünftig verstärkt Lösungen verlangt, um das Infektionsrisiko zu senken. Damit verbunden ist ein riesiger Markt für innovative Beschichtungskonzepte. Potentielle Anwendungen wie bspw. Handläufe, Haltegriffe, Türklinken oder Sanitäreinrichtungen erfordern den Einsatz langlebiger Materialien mit einer möglichst dauerhaften antiviralen Wirksamkeit. In diesem Kontext stellen anodisierte Aluminiumwerkstoffe mit der meso- und makroporösen Oberfläche ein interessantes Substratmaterial für die Modifizierung mit viruziden bzw. bakteriziden Nanopartikeln dar.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die inhärente Porenstruktur des anodisch oxidierten Aluminiumsubstrats
genutzt, um antivirale Metall-Nanopartikel sowie Photokatalysatoren in die offene Porenstruktur einzubringen. Die technische Herausforderung bei der Entwicklung einer derartigen funktionalen Oberfläche bestand darin, das Eloxalschichtsystem so zu gestalten, dass die Einlagerung der Partikel gelingt, ohne die wesentlichen Eigenschaften der Eloxalschicht (insbesondere den Korrosionsschutz) zu beeinflussen.

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben 22658 N wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovative und sichere Leistungsoptimierung der elektro-chemischen Wasserstoffkompression (EHC) mit sowohl edelmetallhaltigen als auch edelmetallfreien Katalysatoren in Hydroxidionenaustausch-Membransystemen (HiHyPe)

Die wichtigsten Forschungsschwerpunkte der A-EM Wasserstoffkompression sind die Entwicklung effektiver und kostengünstiger Elektrokatalysatoren, die Optimierung der Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten samt der Katalysatorbelegung sowie die Entwicklung fortschrittlicher Membranen auf Basis kommerziell verfügbarer Ionomere. Letztere müssen einen geringeren Wasserstoffdurchtritt, eine verbesserte Hydroxidleitfähigkeit und eine verbesserte mechanische Stabilität aufweisen. Weiterhin stellt der während der Kompression entstehende Differenzdruck generell eine Herausforderung für elektrochemische Tests dar, da stationäre Bedingungen verhindert werden und hohe Sicherheitsanforderungen gelten.

Der Fokus des Projektvorhabens liegt daher auf der Steigerung der Effizienz, Sicherheit und Haltbarkeit von EHCs basierend auf alkalischen Elektrolytmembranen (A-EM) durch die Entwicklung von Anoden- und Kathodenkatalysatoren sowie Membranen, um sie als zuverlässige Alternative zu herkömmlichen Wasserstoffkompressionsmethoden zu etablieren.

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DANKSAGUNG

Das IGF-Projekt 01IF24704N wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Optimierung und Prozessskalierung für die Herstellung edelmetallfreier Nickel-Schwefel-Katalysatorschichten für Anode und Kathode der alkalischen Membran-Wasserelektrolyse (NiSkali)

Die Erkenntnisse aus dem Projekt N-AEMEL bilden die Grundlage für die gezielte Weiterentwicklung der Katalysatorschichten im Nachfolgeprojekt NiSkali. Dabei werden insbesondere die Wechselwirkungen zwischen S-Leaching, NiOOH-Strukturbildung und katalytischer Aktivität sowie die Langzeitstabilität beider Elektroden systematisch untersucht, um die Prozessparameter für die Abscheidung weiter zu optimieren. Die Ergebnisse des Projektes N-AEMEL verdeutlichen das Potenzial von Ni-S als beidseitig einsetzbarer Katalysator in der AEM-WE – sowohl für die Anode als auch für die Kathode. Zudem wird im Nachfolgeprojekt NiSkali die Skalierung der Elektrodenherstellung untersucht, um die industrielle Anwendbarkeit der Herstellungsprozesse zu prüfen.

Das sind die Themen des Projekts:

Stabilität des Elektrolyten und Optimierung des Abscheidungsprozesses
Strukturelle Untersuchung und Kontrolle des S-Leachings
Gezielte Vorbehandlung durch kontrolliertes S-Leaching
Skalierbarkeit der Elektrodenproduktion
Langzeitstabilität und Belastungstests

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DANKSAGUNG

Das IGF-Projekt 01IF24616N wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter, metallischer Komponenten zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit (AM Oberfläche)

Einleitung

Additive Fertigung (AM) ermöglicht die Herstellung hochbelasteter Metallbauteile mit komplexen Geometrien –besonders für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Die Oberflächenqualität von AM‑Bauteilen ist jedoch im As‑printed‑Zustand oft unzureichend; oberflächennahe Defekte wirken als Rissstarter und reduzieren die Ermüdungsfestigkeit drastisch.

Lösungsansatz

Durch gezielte mechanische Oberflächennachbehandlungen – Kugelstrahlen, Festwalzen und Diamantglätten – werden Druckeigenspannungen in die Randzone eingebracht, Rauheit reduziert und Porosität verringert. Im Projekt wurden praxisnahe, KMU‑taugliche Auslegungs‑ und Bewertungsmethoden auf Basis der etablierten FKM‑Richtlinien entwickelt.

Nutzen für KMU

Kosten‑ und zeiteffiziente Nachbehandlung: Standard‑
Werkzeugmaschinen (Dreh‑/Fräsmaschinen) können Festwalz‑ und Glättwerkzeuge direkt aufnehmen.

Direkte Integration in die Produkt‑Design‑Phase: Die entwickelten KMU‑tauglichen Auslegungs‑ und Bewertungsmethoden ermöglichen die Planung der Oberflächennachbehandlung bereits während der Bauteilkonstruktion.

Wettbewerbsfähigkeit: Durch die gezielte Steigerung der Ermüdungsfestigkeit können KMU neue Märkte in sicherheitsrelevanten Bereichen (Luft‑/Raumfahrt, Automotive, Energie) erschließen.

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22833 N wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Hochaktive und langlebige Kathoden zur Anwendung in Polymer-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) auf Basis neuartiger, Platin-reduzierter Katalysatornanopartikel durch galvanische Dispersionsabscheidung auf Gasdiffusionsschichten (PEMGALVANOKAT)

In diesem Projekt werden aufeinander abgestimmte Arbeiten zu Material- und Prozessentwicklungen im Bereich der Polymer-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) durchgeführt. Konkret werden im Bereich Materialentwicklung hochaktive, langlebige und kostengünstige Kathodenkatalysatoren mit verringertem Pt-Gehalt (Pt-X; X=Ni, Co, Cu) als Legierungs- oder als zwiebelartige Nanopartikel mittels einer kontinuierlichen nasschemischen Synthese hergestellt und auf selektierten Kohlenstoffmaterialien geträgert.

Die hergestellten Katalysatoren werden zunächst elektrochemisch mittels Rotierender-Scheiben-Elektrode (RDE) charakterisiert. Auf Basis der erzielten Ergebnisse werden dann die vielversprechendsten Systeme im Rahmen der Prozessentwicklung mittels galvanischer Dispersionsabscheidung als hochporöse Elektroden auf Gasdiffusionssysteme (GDS) abgeschieden. Durch die Verwendung einer leitfähigen Bindematrix, hier eine Ni-P-Verbindung, werden äußerst stabile und gut zugängliche Gasdiffusionslektroden (GDE) erzeugt.

Neben der Material- und Prozessentwicklung ist die Testung auf Systemebene) integraler Bestandteil des Projekts. Daher werden auf Basis der hergestellten GDE anschließend komplette Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) unter Optimierung der Ionomerbeschichtung entwickelt und dann im realen Brennstoffzellenbetrieb umfassend hinsichtlich ihrer Leistung und Stabilität sowie ihres Einfahrverhaltens qualifiziert. Ebenso werden die einzelnen Materialien ex situ charakterisiert und beschrieben.

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DANKSAGUNG

Das IGF-Projekt 01IF23620N wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Nachhaltige, leistungsstarke Natrium-Schwefel-Batterien mit neuartigem synergetischem Polymerseparator- und Elektrodenkonzept (NaPolEon)

Für das Gelingen der Energiewende spielen Energiespeichersysteme eine entscheidende Rolle. Ein Schlüssel zur Entwicklung nachhaltiger und ökologisch verträglicher Energiespeicherlösungen sind die Erforschung von Systemen, die aus preiswerten und leicht verfügbaren Materialien bestehen und somit aktuelle Lithium-Ionen-Batterien teilweise ersetzen können. Ein vielversprechender Kandidat in diesem Bereich ist das System der Natrium-Schwefel-Batterien, das durch sein exzellentes Preis-Leistungsverhältnis hervorsticht, da Natrium kostengünstig aus Meerwasser in Form von Natriumchlorid gewonnen werden kann und sich Schwefel ebenfalls durch reichhaltige Vorkommen, geringe Kosten, sowie eine hohe Umweltfreundlichkeit und nicht vorhandene Toxizität auszeichnet.

Im Projekt sollen folgende Innovationsziele erreicht werden:

1. Entwicklung einer neuartigen Separatorschicht
2. Verbesserung der Anoden- und Kathodeneigenschaften
3. Optimierung der Herstellungsprozesse
4. Elektrochemische Charakterisierung

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DANKSAGUNG

Das IGF-Projekt 01IF23648N wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Schematischer Aufbau der Natrium-Schwefel-Zelle

Dotierte wasserstoffhaltige, amorphe Kohlenstoffschichten als Anodenmaterial für Alkalimetall-Ionen-Batterien (CAnode)

Dieses Vorhaben zielt darauf ab, den Wirkungsgrad von Alkalimetall-Ionen-Batterien durch die gezielte Weiterentwicklung des Anodenmaterials zu verbessern. Dafür werden innovative wasserstoffhaltige, amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:X-Schichten) entwickelt, die mit X = Stickstoff (N), Sauerstoff (O) oder einer Kombination aus beiden (N/O) dotiert werden. Diese Schichten werden mittels Hochfrequenz-Plasma-aktivierter chemischer Gasphasenabscheidung (rf-PECVD) auf strukturierten oder unstrukturierten Metall-Folien oder -Schäume abgeschieden.

Mit dem Einsatz von Kohlenwasserstoff-haltigen Präkursoren als Prozessgase und durch die gezielte Kombination von Stickstoff und Sauerstoff im Dotierungsprozess können die Materialeigenschaften präzise gesteuert werden. Die Dotierung erhöht die Leitfähigkeit, verbessert die Benetzbarkeit und stabilisiert die Kohlenstoffstruktur, wodurch ein völlig neuartiges Anodenmaterial entsteht. Ziel der so entwickelten Materialien ist die Überwindung der Nachteile herkömmlicher Kohlenstoffanoden, wie begrenzte Kapazität und geringe Zyklenstabilität, und soll Batterien mit höherer Speicherkapazität, längerer Lebensdauer und gesteigerter Effizienz ermöglichen. Durch die Nutzung kostengünstiger und nachhaltiger Materialien soll das Vorhaben dazu beitragen, leistungsfähige und umweltfreundliche Alkalimetall-Ionen-Batterien zu entwickeln, die den steigenden Anforderungen moderner Energiespeicherlösungen gerecht werden können.

Danksagung

Das Invest BW Forschungsvorhaben des fem Forschungsinstituts wird gefördert durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.

Polyoxometallat-basierte Redox-Flow-Batterie mit hoher Energiedichte (POMBat)

Für die Energiewende und insbesondere den Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sind stationäre Speicher zur Stabilisierung der Stromnetze unabdingbar. Redox-Flow-Batterien (RFB) stellen eine robuste und kostengünstige Speichertechnologie dar, die zukünftig in der Lage sein wird, Fluktuationen in der Stromerzeugung abzufangen. Durch ihre prinzipiell geringe Selbstentladung und unabhängige Skalierbarkeit von Leistung und Kapazität sind RFBs besser als Lithium-Ionen-Batterien für diese Aufgabe als elektrochemische Großspeicher geeignet. Die bislang kommerzialisierten Vanadium-basierten RFBs sind mit ihrer geringen Energiedichte von 25–50 Wh/L und einer nennenswerten Selbstentladung durch Vanadium-Übertritt zwischen den Halbzellen noch in ihrem Einsatz limitiert.

Im Rahmen des Projekts sollen daher neue Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien entwickelt werden, die eine erheblich verbesserte Energiedichte aufweisen und zusätzlich eine geringe Selbstentladung zeigen. Dazu werden spezielle Molybdän- und Wolfram-Polyoxometallate (POMs) eigesetzt, die in der Lage sind eine sehr hohe Zahl an Elektronen zu speichern. Durch die hohe Löslichkeit und hohe Elektronenspeicherfähigkeit von 18 Elektronen pro Moleküleinheit soll die Energiedichte mindestens verfünffacht werden.

Aufgabe des fem ist zunächst die Etablierung der positiven Halbzelle, bei der ein auf die POM-Seite angepasster Bromid-basierter Elektrolyt eingesetzt werden soll. Vorteilhaft sind hierbei die gute Kompatibilität zwischen POM- und Brom-Halbzelle und die ebenfalls hohe Energiedichte. Die Brom-Halbzelle basiert dabei auf der elektrochemischen Reaktion zwischen Bromid und elementraren Brom, welches mit Hilfe von Additiven in Lösung gehalten werden soll. Zu Beginn des Projektes sollen verschiedene Additive und der Einfluss von Elektrolytkonzentration und Zyklisierbedingungen untersucht werden. Anschließend werden in enger Abstimmung mit dem Projektpartner DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) POM-Seite und Brom-Seite in einer Flusszelle verbunden und untersucht. Wichtige Aspekte sind dabei Zyklisierbarkeit, Langlebigkeit, aber auch die Wiederverwertbarkeit der Elektrolyte und Zellmaterialien am Lebenszeitende der Zelle.

DANKSAGUNG

Das IGF-Vorhaben 01IF23477N wird im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Silicon Composite Anode Project: Wegweisende Innovation für leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien (SiCAP)

Mit dem Projekt SiCAP startet das fem Forschungsinstitut eine innovative Initiative zur Verbesserung der Lithium-Ionen-Batterietechnik. Im Mittelpunkt steht Silizium, ein Material mit außergewöhnlicher Energiedichte, das das Potenzial hat, Batterien deutlich leistungsfähiger zu machen. Die Herausforderung: Silizium vergrößert sein Volumen beim Laden extrem, was bisher zu einem schnellen Verlust der Batterieleistung führt.

Um dieses zentrale Problem zu lösen, entwickelt das SiCAP-Projektteam ein neuartiges, galvanotechnisches Verfahren zur Herstellung stabiler Silizium-Komposit-Anoden. Dieses Verfahren ist nicht nur kostengünstiger und energieeffizienter als aktuelle Methoden, sondern auch industriell skalierbar. Ziel ist es, künftig leistungsstarke Batterien umweltfreundlicher, nachhaltiger und wirtschaftlicher zu produzieren und so einen wichtigen Beitrag zur Energiewende in Baden-Württemberg zu leisten.

Das Forschungsteam konzentriert sich zunächst auf die Vorentwicklung, umfassende Materialcharakterisierung und technische Bewertung des Verfahrens im Rahmen eines Proof-of-Concepts. Ein entscheidender Vorteil des neuen Ansatzes: Die Herstellung erfolgt ohne energieintensive Hochtemperatur- oder Vakuumprozesse, wodurch der Energiebedarf und die Produktionskosten signifikant sinken.

Die Innovation spricht insbesondere die wachsenden Märkte für Elektromobilität, stationäre Stromspeicher und mobile elektronische Geräte an. Neben dem technologischen Durchbruch verspricht SiCAP erhebliche ökologische Vorteile, etwa durch geringere CO₂-Emissionen, und stärkt gleichzeitig den Standort Baden-Württemberg durch die Schaffung nachhaltiger und zukunftsfähiger Arbeitsplätze.

DANKSAGUNG

Das Invest BW Forschungsvorhaben BW8_1349 des fem
Forschungsinstituts wird gefördert durch das Ministerium fürWirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.