Schonendes TLP-Fügeverfahren bei Prozesstemperaturen unter 150°C durch Anwendung ternärer Systeme (LowTemp-TLP)

Das Fügeverfahren Transient-Liquid-Phase- (TLP-) Bonding kommt aus dem Bereich der metallischen Niedertemperaturverbindungstechnik und kombiniert damit die positiven Eigenschaften von metallischen Verbindungen, wie beispielsweise mechanische Stabilität und Leitfähigkeit mit dem Vorteil niedriger Prozesstemperaturen. Dies ist möglich, da im Prozess durch Diffusion aus einer niedrig- und einer hochschmelzenden Phase eine temperaturbeständige intermetallische Phase entsteht. In der Kombination Silber (Ag) und Zinn (Sn) kann so beispielsweise bei einer Prozesstemperatur von 250 °C eine Verbindung erzeugt werden, die bis über 400 °C stabil ist. Im Vergleich zu anderen temperaturstabilen Verfahren, wie eutektischem Bonden, AuSn-Löten oder auch Glaslöten sind die TLP-Verfahren daher im Vorteil, da die Differenz zur Raumtemperatur nach dem Prozess und damit auch der thermo-mechanische Stress geringer ist.

Genau dieses Verfahren mit dem binären AgSn-System wurde im IGF-Projekt „Sensor-TLP“ (18476N) bereits durch Hahn-Schickard und IMTEK grundlegend erarbeitet. Dabei zeigten sich allerdings aufgrund der Prozess- und Verbindungseigenschaften die Defizite.

Abschließend kann festgehalten werden, dass, durch die erfolgreiche Abscheidung der TLP-Materialsysteme in der erforderlichen Qualität, durch die Planung, Durchführung, Auswertung und Charakterisierung Proben aus den unterschiedlichen Versuchsreihen sowie die abschließende Verifikation der Versuchsergebnisse anhand von zwei Funktionsmustern, die im Projektantrag gesteckten Ziele erfolgreich umgesetzt werden konnten.

DANKSAGUNG

Das IGF-Vorhaben 01IF21868N der Forschungsvereinigungen Hahn-Schickard-Gesellschaft und Edelmetalle und Metallchemie wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovation im Zinkdruckguss – Erzeugung spiegelglänzender Gussoberflächendurch trennmittelfreie Fertigung (GlossyCast)

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Erprobung einer neuartigen, dauerhaft beständigen Beschichtung für Zinkdruckgusswerkzeuge. Diese sollte die Herstellung maßhaltiger Zinkdruckgussbauteile mit hoher Oberflächenqualität ohne jeglichen Trennmitteleinsatz gestatten. Neben reduzierter Taktzeiten im Zinkdruckgießprozesses sollen aufgrund der gesteigerten Oberflächenqualität der bauteile bei der Nachbearbeitung und Beschichtung Material und Kosten eingespart werden.

Am Fraunhofer IFAM wurden plasmapolymere Beschichtungen für Zinkdruckgusswerkzeige weiterentwickelt und optimiert, wobei neben den trennenden Eigenschaften insbesondere die mechanische und thermische Stabilität der Beschichtungen im Fokus stand. Zusammenfassend zeigten die Laboruntersuchungen, dass harte und dünne Beschichtungen die beste Eignung für die beabsichtigte Anwendung aufweisen.

Die trennmittelfrei hergestellten Zinkdruckgussbauteile wurden am fem hinsichtlich ihrer Beschichtbarkeit und Korrosionseigenschaften sowie einer Veränderung des Nachbearbeitungsaufwandes im Vergleich zu konventionell hergestellten Bauteilen untersucht. 

Die Weiterentwicklung des bisherigen Verfahrens führt zu Bauteilen mit vergleichbaren bzw. verbesserten Eigenschaften bei gleichzeitig verkürzten Gesamtprozesszeiten sowie einer deutlichen Einsparung von Materialien und Kosten. Das Verfahren kann bei der Herstellung von Zinkdruckgussbauteilen für dekorative und technische Anwendungen eingesetzt werden. 

Die im Rahmen des AiF-Projektes „GlossyCast“ gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass eine trennmittelfreie Serienfertigung von Zinkdruckgussteilen bei der Verwendung von plasmapolymeren Beschichtungen und einer passenden Formauslegung problemlos möglich ist. Das hier erarbeitete Fertigungskonzept birgt somit enorme wirtschaftliche, technologische und auch ökologische Vorteile, welche sowohl der  Zinkdruckguss- als auch der Galvanotechnikbranche zukünftig dabei helfen kann, im internationalen Wettbewerb zu bestehen.  

DANKSAGUNG

Das Vorhaben 01F21279 N wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 

Simulation des Schmelzbads bei der additiven Fertigung von Metallteilen

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden bedeutende Fortschritte in der pulverbettbasierten additiven Fertigung mittels Laser erzielt. Die Integration dieser Technologie in industrielle Produktionsprozesse ist ein Zeugnis ihrer fortschreitenden Reife. Parallel dazu konzentriert sich die Forschung auf die wissenschaftliche Durchdringung des Verfahrens. Das Projekt fokussierte sich speziell auf die Simulation des Schmelzbades und dessen experimentelle Validierung. Untersuchungsgegenstände waren dabei die verbreiteten Materialien Stahl (316L), Aluminium (AlSi10Mg) und Titan (TiAl6V4).

Die Simulationsmodelle basierten auf thermophysikalischen Materialparametern und wurden individuell angepasst. Das vom Fraunhofer IWM entwickelte Ausgangsmodell wurde hierfür weiterentwickelt und optimiert. Simulationsergebnisse wurden durch experimentelle Untersuchungen validiert und mit den Vorhersagen der kommerziellen Simulationssoftware Flow3D verglichen.

Das Projektziel bestand darin, ein detailliertes Prozessverständnis zu entwickeln, um die limitierten Beobachtungsmöglichkeiten der hohen Verfahrensgeschwindigkeiten zu kompensieren. Langfristig soll dieses Wissen dazu beitragen, den Einfluss spezifischer Materialparameter auf das Fertigungsergebnis zu ermitteln und so die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien zu erleichtern.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21470 N  der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung der Prozesstechnologie für massive metallische Gläser auf Platinbasis mit dem Ziel einer Industrialisierung am Beispiel des Uhren- und Schmucksektors

Platinbasierte massive metallische Gläser (Pt-MMG) sind revolutionäre Schmucklegierungen mit besonderen Eigenschaften. Ihre hervorragende Oberflächengüte und hohe Gusshärte (400–500 HV1) begünstigt die präzise, formgetreue Abbildung und macht die Nachbearbeitung überflüssig. Pt-MMG sind hart wie Stähle, besitzen aber eine kunststoffähnliche Elastizität und Flexibilität. In einem Forschungsprojekt konnten diese Platingläser erstmals mit dem in der Schmucktechnologie etablierten Feingießverfahren verarbeitet werden. Dank ihrer einzigartigen Qualitäten eröffnen sich der Luxusgüterindustrie damit völlig neue Designmöglichkeiten.

Dem fem und seinem Forschungspartner LMW ist es gelungen, gemeinsam mit Partnern aus der Industrie das industrielle Potenzial von Pt-MMG am Beispiel von Uhren- und Schmuckanwendungen zu demonstrieren und den Technologiereifegrad anzuheben. Mit den amorphen Platinlegierungen konnten feine Geometrien mit komplexen Füllwegen realisiert werden. Die Schmuckobjekte sind trotz ihrer filigranen Struktur mechanisch stabil und weisen eine außerordentlich hohe elastische Verformbarkeit auf. Im Druckgusserfahren konnten zudem auch massivere Bauteile wie Uhrenlünetten hergestellt werden. KMU bietet diese neue Technologie die Chance, in den Platinschmuckmarkt einzusteigen und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Lisa-Yvonn Schmitt freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21469 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Qualifizierung von standardisierten Langzeitversuchen an Kupferwerkstoffen zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für CAE-Anwendungen

Die in der Praxis eingesetzten Langzeitversuche zu Charakterisierung des Materialverhaltens von Kupferwerkstoffen sind nur begrenzt geeignet, um daraus belastbare Eingangsdaten für CAE-Anwendungen (bspw. Finite Elemente Methode, FEM) zu ermitteln. Aufgrund steigender Anforderungen an Bauteile aus Kupferwerkstoffen, z.B. bei elektrischen Steckverbindern, ist für die sichere und ressourceneffiziente Bauteilauslegung eine genauere Kenntnis dieser Eingangsdaten jedoch unerlässlich. Das Ziel dieses Vorhabens bestand darin, eine Methode zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für Kupferwerkstoffe aus den Langzeitversuchen in Anlehnung an die ASTM [AST13] zu entwickeln. Die daraus ermittelten Parameter können den Kupferwerkstoff genauer beschreiben und sind als direkter Input für die simulative Bauteilauslegung nutzbar.

Im Vorhaben wurde davon ausgegangen, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Messgrößen der ASTM-Versuche (z.B. Cantilever-Versuch) und den zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften von Kupferwerkstoffen existiert. Dieser ist jedoch aus diesen Versuchen nicht direkt bestimmbar. Mittels numerischer Methoden und basierend auf maschinellen Lernverfahren sollte dieser Zusammenhang ermittelt werden. Zur Ermittlung der hierfür erforderlichen experimentellen Daten wurde ein geeigneter Versuchsstand entwickelt. Damit wurde es möglich, aus den Messgrößen eines ASTM-Versuchs das zeit- und temperaturabhängige Materialverhalten bzw. die Materialparameter für ein gewähltes Werkstoffmodell direkt und kostengünstig zu bestimmen.

Der Nutzen des Vorhabens besteht darin, dass aus bereits etablierten Standardversuchen deutlich genauere Informationen über das Langzeitverhalten von Kupferwerkstoffen ermittelt werden können, ohne dass der experimentelle Aufwand dafür steigt. Von KMUs können die Ergebnisse als direkter Input für CAE-Anwendungen genutzt werden. Zudem können KMUs durch die genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens Bauteile besser, kosteneffizienter und ressourcenschonender auslegen, als es bisher möglich war. Die Ergebnisse des Vorhabens können auf andere Werkstoffe übertragen werden, bei denen das Langzeitverhalten ebenfalls relevant ist.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Karin Pfeffer freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21114 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Innovativer Kompositwerkstoff für den Feinguss von Titanlegierungen

Die Herstellung komplexer technischer Bauteile aus Titanlegierungen im Feingussverfahren ist für Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik, Medizintechnik und die Luxusgüterbranche von großem Interesse. Der Keramikwerkstoff Calciumzirkonat (CaZrO₃) ermöglicht den äußerst anspruchsvollen Feinguss von Titan, weist jedoch Schwächen bei Temperaturwechselbelastungen auf. Tiegel aus CaZrO₃ zeigen aufgrund des Thermoschocks bereits nach einem Abguss Risse und sind danach nur begrenzt wiederverwendbar.

Dem fem ist es gelungen, durch die Zugabe von elektrogesponnenen CaZrO₃-Nanofasern einen innovativen Kompositwerkstoff zu erzeugen, der dieses Problem löst. Im Forschungsprojekt wurde nachgewiesen, dass der Werkstoff dank der modifizierten Mikrostruktur eine deutlich höhere Stabilität gegen thermische Belastungen und folglich eine hohe Restfestigkeit nach dem Abguss besitzt. Dadurch sind CaZrO₃-basierte Komposit-Tiegel endlich für den mehrmaligen Einsatz im Feinguss geeignet. Diese Entwicklung ermöglicht es Feingießereien, hochreaktive Legierungen in hoher Qualität deutlich effizienter und wirtschaftlicher zu verarbeiten.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unser Experte Florian Bulling freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21706 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung von Detektionssystemen mit elektrochemisch aktiven Oberflächen zur Online-Überwachung von Filteranlagen

Aufgrund steigender Anforderungen an reine Produktionsumgebungen liegt das Augenmerk in der Reinraumtechnik auf der Verringerung von chemischen Verunreinigungen (Airborne Molekular Contamination, AMC) in der Raumluft.

Die AMC-Filter bestehen aus unterschiedlichen Aktivkohlen oder Ionenaustauschern mit begrenzter Aufnahmekapazität. Ein Durchbruch tritt bei Überladung des Materials unbemerkt auf und kann zu erheblichen Produktionsausfällen führen. Daher müssen AMC-Filter in regelmäßigen Abständen bzw. vorsorglich vor Ende der möglichen Nutzungsdauer ausgewechselt werden. Dies verursacht hohe Kosten und große Abfallmengen. Ansätze für die Echtzeit-Überwachung von AMC-Kontaminanten durch aufwendige laserbasierte optische und nicht-optische Methoden liefert das europäische Verbundprojekt MetAMC. Einfache und kostengünstige Sensoren zur Echtzeit-Überwachung stehen aktuell nicht zur Verfügung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von einfach aufgebauten und kostengünstig herstellbaren Durchbruchsdetektoren mit elektrochemisch aktiven Oberflächen für die AMC-Kontaminanten Ammoniak und Formaldehyd. Nach dem Prinzip der Gas-Festkörperwechselwirkung soll eine Signalerzeugung detektiert werden. Hierfür sollen durch galvanische Abscheidung Nanopartikel mittels Pulse-Plating-Technik auf 3D-Trägermaterialien mit reaktiven Oberflächen abgeschieden werden. Als Nano-Metallpartikel sind u. a. Kupfer, Silber und Zinn angedacht. Um die unterschiedlichen elektrochemischen Aktivitäten zu erfassen, sollen auch Legierungen sowie neuartige Schichtsysteme mit leitfähigen Polymeren zum Einsatz kommen. Die vorgesehene Messtechnik zur Erfassung der Detektorsignale umfasst Impedanzmessungen sowie die Anwendung der 4-Leiter-Kelvin-Methode und den Aufbau von Brückenschaltungen.

Der Markt für die Sensoren ist groß, da Reinraumfilter in der Halbleiterindustrie, der Pharma- und Life-Science-Industrie, der Mikroelektronik, der Optik, Kosmetik- und Lebensmittelproduktion sowie der Gen- und Medizintechnik zum Einsatz kommen. Der Impuls zur Umsetzung in marktfähige Produkte folgt aus der verbesserten Kontrolle der Reinraumbedingungen und der Einsparpotentiale durch die effizientere Nutzung der AMC-Filter. Darüber hinaus würden die angestrebten Ergebnisse neue funktionale Anwendungen für die Beschichtungsbranche ermöglichen. 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21279 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Sicherheit und Betriebsstrategien Lithium-basierter Batterien-Dendriten und SEI-Wachstum auf metallischem Lithium

Die Energiewende stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar. Dabei kommt der Energiespeicherung eine besondere Bedeutung zu. Der Einsatz von Batterien ist für die Speicherung von erneuerbarer Energie sowohl stationär als auch mobil, etwa in Elektrofahrzeugen, unumgänglich. Einen großen Einfluss auf den Batteriezustand und die Lebensdauer haben dabei die zum Teil stark wechselnden Betriebsbedingungen (Temperatur, Stromprofil, etc.). Die Aufgabe von Batteriemanagementsystemen ist daher die Überwachung und Steuerung komplexer Batteriepacks. Auf diese Weise sollen Sicherheitsprobleme verhindert werden und der Batteriezustand möglichst lange erhalten bleiben. Informationen über den Batteriezustand erlauben es, fehlerhafte und beschädigte Batteriezellen zu identifizieren und aus dem Verbund des Batteriepacks zur Vermeidung von Havarien gezielt zu entfernen.

Energiespeicher mit metallischen Lithium-Elektroden besitzen aufgrund ihrer im Vergleich zu derzeitigen Energiespeichern höheren theoretischen Energie- und Leistungsdichten ein großes Marktpotenzial für die Zulieferer von Elektrofahrzeug- und Batterieherstellern. Wesentliche Merkmale der metallischen Lithium-Elektroden sind dabei das Wachstum einer Schutzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt (Solid Electrolyte Interphase, SEI) sowie das Wachstum von nadelförmigem Lithium beim Zyklisieren (Dendriten). Das Wachstum der SEI führt zu erhöhtem Innenwiderstand und damit zur Abnahme der Zellleistung bis hin zum Versagen. Die Dendriten stellen aufgrund des potentiellen Durchdringens des Separators bis zum Kurzschluss mit der Gegenelektrode ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurde die Entwicklung einer Simulationssoftware für elektrochemische Energiespeicher mit metallischen Lithium-Elektroden angestrebt. Ziel war es, die aus den experimentellen Verfahren gewonnenen, empirischen Erkenntnisse und Parameter zur Modellierung dieser Prozesse auf physikalisch-elektrochemischer Basis zu verwenden. Die implementierte Software kann mit Hardware-in-the-Loop (HiL) Testständen zur Verifizierung von Algorithmen in Batteriemanagementsystemen (BMS) verknüpft werden, um teure, zeitaufwendige und unzureichend reproduzierbare Tests mit realen Batterien zu ersetzen. Dies kann die FuE-Aktivitäten erleichtern und die Vermarktung dieses Batterientyps eventuell beschleunigen.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben AiF 21113 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt- und Langzeitverhalten selbstschmierender Beschichtungen in stromtragenden Verbindungen der Elektroenergietechnik

Durch die Energiewende und die Elektrifizierung des Individualverkehrs werden die Anforderungen an den sicheren und zuverlässigen Transport von Elektroenergie gesellschaftlich noch wichtiger. Ein stabiles Stromnetz erfordert ein hohes Maß an Zuverlässigkeit aller beteiligten Komponenten. Gerade Verbindungsstellen, an denen elektrische Energie von einem Leiter auf einen anderen übertragen wird, stellen dabei häufig kritische Punkte dar. Beschichtungen der einzelnen Kontaktpartner sind dabei bereits seit Jahren Stand der Technik. Die steigenden Ansprüche und Herausforderungen erfordern den Einsatz neuer Materialien, mit denen bestehende Betriebsmittel weiterentwickelt werden können. Die Anforderungen an Beschichtungen im Bereich stromführender Steckverbindungen in Stromnetzen sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Durch die kompaktere Bauweise der Geräte und eine steigende Leistungsdichte erhöhen sich die Temperaturen im Einsatz. Wird zusätzlich noch eine hohe Anzahl an Steckzyklen gefordert, sind die konstruktiven und montagetechnischen Herausforderungen hoch. Steckverbindungen mit hoher Steckzyklenzahl werden derzeit mit einem Kontaktschmiermittel vorbehandelt, um den Reibverschleiß im Betrieb zu minimieren.

Das Kontaktschmiermittel muss langzeitstabil und temperaturbeständig sein, damit die geforderten Einsatzzeiten von zum Teil mehreren Jahrzehnten erreicht werden können. Bei der Montage muss auf eine exakte Dosierung des Kontaktschmiermittels geachtet werden, sodass der Kontaktwiderstand nur moderat erhöht, gleichzeitig aber der Reibwert zuverlässig verringert wird. Zudem enthalten die eingesetzten Materialien meist Fluorchemikalien, deren Beschaffung teuer und deren Herstellung bzw. Entsorgung problematisch ist.

Eine Alternative zu den üblicherweise eingesetzten Reinsilberschichten, die mit Kontaktschmiermittel behandelt werden, stellen Silberdispersionsschichten mit eingelagerten Trockenschmierstoffen dar. Ziel des Projektes war die Entwicklung und Untersuchung galvanisch abgeschiedener Silber-Dispersionsschichten mit selbstschmierenden Eigenschaften. Die einzulagernden Partikel wurden hierbei in Form von Pulvern zum Metallmatrixelektrolyten gegeben und durch eine entsprechende Elektrolytumwälzung in Schwebe gehalten. Durch eine geeignete Wahl der Prozess- und Elektrolytparameter konnte der Partikeleinbau in die Schicht gesteuert werden. 

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse des Projektes, dass bei der Beschichtung von Modellgeometrien alle untersuchten Partikeltypen in Silberschichten eingebaut werden können. Die Systeme Silber-Graphit, Silber-MoS2 und Silber-WS2 heben sich dabei durch ihre guten tribologischen Eigenschaften hervor. Es werden Werte für die mittleren Reibkoeffizienten um 0,2 erreicht, die auch nach einer thermischen Auslagerung von 2000 h bei 180 °C stabil bleiben. Zudem verlangsamt der Einbau der Dispersoide den Härteabfall infolge der Wärmebehandlung im Vergleich zu reinen Silberschichten.

Auch an den industriellen Probekörpern können diese Ergebnisse im Prinzip bestätigt werden. Der maximale Reibweg einer Silberdispersionsschicht bis zum Ausfall vergrößert sich gegenüber einer Reinsilberschicht um den Faktor 3–6 (WS2), 5–10 (MoS2) bzw. 10–18 (Graphit). Dabei werden jedoch noch nicht die Werte einer mit Kontaktschmiermittel behandelten Silberoberfläche erreicht. Dies könnte ein Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Fadenförmige Li-S-Elektroden für flexible Energiespeicher

Für die nächste Generation von flexibler Elektronik wie aufrollbaren Bildschirmen, körpernahen Smart Devices oder Smart Textiles besteht ein steigendes Interesse an flexiblen, sicheren, dünnen und leichten Energiespeichern. Für flexible Batterien müssen alle Bestandteile, von den funktionalen Zellkomponenten wie Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Stromsammler bis zur Einhausung dieser Komponenten flexibel genug sein, um mechanischer Verformung im Einsatz Stand zu halten. Außerdem muss die Leistungsfähigkeit der Batterie auch unter mechanischer Belastung erhalten bleiben. Die meisten heute existierenden Batterien sind zu schwer, voluminös und starr, um den Anforderungen der hier anvisierten Anwendungen zu genügen. 

Im Unterschied zu konventionellen elektrochemischen Energiespeichern weisen flexible Speicher für moderne Anwendungen ein Anforderungsspektrum anderer Gewichtung auf. Während auch hier eine möglichst hohe spezifische Energie und eine hohe Zyklen- und Ratenfestigkeit vorteilhaft sind bzw. sein können, müssen in einem ersten Schritt doch andere Faktoren verbessert und optimiert werden, ohne die die Lebensdauer und Sicherheit und damit die Anwendbarkeit in der Zielanwendung auf inakzeptable Weise eingeschränkt wären. An erster Stelle kommt es hier auf die mechanische Flexibilität und Belastbarkeit bei gleichzeitig möglichst geringem Risiko für Funktionsversagen sowie die Gefahr durch zu starke Wärmeentwicklung oder Brandentstehung im Falle einer fatalen Schädigung z.B. durch Verunfallung etc. an. 

Eine verbesserte mechanische Stabilität ist auch im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit wichtig, z.B. in Textilmaschinen. In Bezug auf die Zellchemie von flexiblen Energiespeichern werden bislang verschiedene Ansätze verfolgt, wobei sich das Lithium-Schwefel-System aufgrund einiger wichtiger intrinsischer Vorteile besonders anbietet. Die antragstellenden Forschungseinrichtungen HSAA und fem haben in bereits abgeschlossenen Forschungsvorhaben IGF 18127N, IGF 19134N und BMWi 03ETE026C neuartige Elektroden und Polymerschutzschichten auf Lithium für die Li-S-Batterien entwickelt.

Ziel von FiberBat ist es, basierend auf den genannten Ergebnissen zur Elektrodenentwicklung für das Li-S-System, faserartige Anoden und Kathoden für eine neuartige flexible und kostengünstige Lithium-Schwefel-Zelle hoher Sicherheit und Umweltfreundlichkeit mit Hilfe materialeffizienter Verfahren unter Einsatz von Rohstoffen hoher Verfügbarkeit und Umweltfreundlichkeit zu entwickeln. Als Substrate, welche in der späteren Anwendung als Stromsammler dienen sollen, werden metallische und im späteren Projektverlauf auch nichtmetallische Drähte bzw. Fasern eingesetzt. Diese werden mit den Aktivmaterialien beschichtet und auf Basis oben genannter Projektergebnisse durch eine weiterentwickelte und den spezifischen Anforderungen des Konzepts angepasste Polymerschicht geschützt. Diese Schutzschicht erfüllt auf der Kathodenseite gleichzeitig auch die Separator-Funktion. Für die elektrochemische Charakterisierung und zu Demonstrationszwecken wird jeweils ein Kathoden-/Anoden-Paar in geeigneter Art und Weise, beispielsweise in Form eines Zwirns, hergestellt und in einen Schrumpfschlauch überführt, der mit Elektrolyt aufgefüllt wird.

Auf diese Weise wird eine fadenartige Zelle hergestellt, die die beste Integrierbarkeit in Smart Textiles bietet. Ein Vorteil bei diesem Konzept ist, dass im Falle eines lokalen Separatorversagens, beispielsweise durch übermäßige mechanische Beanspruchung, evtl. nur wenige, idealerweise nur ein Zellfaden betroffen ist, sodass ein interner Kurzschluss nur mit einer, im Vergleich zu klassischen Folienelektroden, geringen Reaktionsmasse und damit Energiefreisetzung verbunden ist, wobei die Diffusionswege für potentiell eindringenden Sauerstoff lang sind. Gleichzeitig ist durch das Gewebe auch eine bessere Wärmeabfuhr möglich, sodass es nicht zu einem Wärmestau innerhalb der Zelle kommen kann. Beide Aspekte reduzieren die Gefahr eines sogenannten Thermal Runaway und erhöhen die Sicherheit der Zelle deutlich. 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben AiF 22793 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle+Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.