Galvanische Metall-Abscheidung zur Herstellung effizienter 3D-Elektroden für die elektrochemische CO2-Reduktion 2 (GalMAtrode2)
Die elektrochemische Umwandlung von CO₂ in ein breites Spektrum an Chemikalien ist eine mögliche Technologie, um CO₂ von einem schädlichen Abfall in eine wertvolle Ressource zu verwandeln. Je nach verwendetem Katalysator und Reaktionsbedingungen kann CO₂ in höherwertige Produkte wie Ameisensäure und höhere Alkohole umgewandelt werden. In diesem Projekt wird die elektrochemische Synthese von CO₂ zum Produkt Ameisensäure bearbeitet. Ziel ist es, die Langzeitstabilität von Elektroden während der CO₂-Elektrolyse bei industriell relevanten Stromdichten zu erhöhen, indem saure Elektrolyte und mehrlagige GDEs mit einer galvanisch abgeschiedenen dünnen, porösen Bismut-Katalysatorschicht verwendet werden.
Auf Grund guter Langzeitstabilität, ohne Anzeichen von Degradation des Katalysatorsystems durch Auslaugen oder andere Effekte soll ein Katalysatorsystem basierend auf Bismut verwendet werden. Durch Auswahl geeigneter Abscheidungsparameter ist es möglich, Bismut-Schichten mit hoher Porosität auf einem hydrophoben Substrat elektrochemisch abzuscheiden. Es ist nur durch mehrlagige GDEs möglich die Reaktionszone in der Katalysatorschicht zu stabilisieren. Aus diesem Grund soll eine Katalysatorschicht auf eine hydrophobe, jedoch gasdurchlässige Schicht galvanisch abgeschieden werden.
Eine Anreicherung von hohen Konzentrationen an Ionen bzw. gelösten Salzen im Porensystem der GDEs kann durch die Verwendung von einem Elektrolyten mit niedrigen pH-Werten verhindert werden. Außerdem ist die unter diesen Bedingungen gebildete Ameisensäure für eine weitere Verwendung besser geeignet ist als Formiat, welches im Alkalischen entstehen würde.
Von den Projektergebnissen können KMU im Bereich der Entwicklung von Elektrolyseuren und Komponenten für die Elektrolyse, der chemischen und der Nahrungsmittelindustrie sowie Zulieferer und Betriebe im Bereich der Elektrolytentwicklung und Galvanotechnik profitieren.
DANKSAGUNG
Das IGF-Projekt 01IF23102N wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
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KupferDigital2: Materialdatenraum zur Steigerung von Effizienz und Nachhaltigkeit des Kupferlebenszyklus
MOTIVATION
In der traditionellen Wertschöpfungskette werden Materialien schrittweise hergestellt und weiterverarbeitet, bis ein fertiges Produkt entsteht. Jeder Prozessschritt erzeugt und benötigt Material-, Verfahrens- und Produktdaten, die typischerweise in verschiedenen Unternehmen vorliegen. Ein Austausch der Daten erfolgt oft nur bilateral zwischen kooperierenden Firmen. Für ein umfassendes Verständnis des Material- und Produktverhaltens und des Life-Cycle-Assessments (LCA) wäre es von immensem Vorteil, wenn Herstellungsdaten und -metadaten allen an der Wertschöpfung beteiligten Akteuren interoperabel und auffindbar zur Verfügung gestellt würden.
ZIELE UND VORGEHEN
Am Beispiel der Fertigung eines Steckverbinders werden in KupferDigital2 Produktionsdaten und LCA-relevante Daten erfasst. Durch die semantische Beschreibung der Prozesse und Metadaten mittels einer Ontologie werden die Daten mit Hintergrundinformationen angereichert, die es Maschinen ermöglicht, diese Daten zu interpretieren. Die semantischen Daten werden in einem Datenraum zu Verfügung gestellt, ohne dass der Urheber der Daten seine Hoheit über die Daten verliert. Mittels einer Material-ID werden die Daten eindeutig mit einem Produkt verknüpft. Auf Basis dieser Daten entsteht ein digitaler Produktpass, anhand dessen die Herstellungsroute, der sozio-ökologische Fußabdruck sowie die Recyclingeigenschaft nachvollzogen werden können.
INNOVATION UND PERSPEKTIVE
In diesem Projekt wird eine Prozesskette der industriellen Steckverbinderfertigung mit semantischen Daten digitalisiert und damit der Grundstein für eine effizientere und vor allem nachhaltigere Produktion der Zukunft gelegt. KupferDigital2 liefert auf Basis der Vorarbeiten der Plattform MaterialDigital (PMD) und des Projekts KupferDigital die technische Grundlage, um den aktuellen Wissensstand aller beteiligten Partner anhand echter, industrierelevanter Daten entlang des Lebenszyklus domänenübergreifend erfassen, kontinuierlich erweitern sowie dauerhaft und vor allem wiederholt nutzen zu können. Neu entwickelte Methoden für die Bilanzierung, Bewertung, datenbasierte oder simulative Vorhersage und Datenkorrelation dienen u.a. der Aggregation, Integration und nachhaltigen Nutzung industrierelevanter Daten entlang des Gesamtlebenszyklus. In diesem Projekt stehen auch Bewertungsmethoden im Sinne des LCA und für ökologische und sozioökonomische Footprints sowie die Entwicklung eines Digitalen Produktpasses im Vordergrund.
TEILVORHABEN: NACHHALTIGKEIT IM KUPFERLEBENSZYKLUS AUF BASIS SEMANTISCHER DATEN
fem übernimmt in seinem Teilvorhaben die stellvertretende Koordination des Projekts und erarbeitet eine Integration von ökologischen und sozioökonomischen Footprints in das Datenökosystem. Dank seiner Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt übernimmt es eine zentrale Rolle bei der Kommunikation zwischen den Fachdomänen und wirkt dabei insbesondere auf einen möglichst reibungslosen Ablauf bei der Erstellung der Ontologie hin.
Das Vorhaben 13XP5230L wird im Rahmen der Innovationsplattform MaterialDigital vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Entwicklung innovativer, kostengünstiger Natrium-Ionen-Batterien auf Basis von NaFePO₄-Aktivmaterialien, hergestellt aus recyceltem LiFePO₄ aus verbrauchten Li-Ionen-Batterien (LIB2SIB)
Nach aktuellen Schätzungen werden im Jahr 2025 weltweit etwa 5.000.000 Tonnen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) produziert werden. Diese Produktionsrate wird in den kommenden Jahren unweigerlich ansteigen. Daher ist eine verantwortungsvolle Entsorgung und ein effizientes Materialrecycling entscheidend für die Nachhaltigkeit des Batteriemarktes. Die aktuelle Situation zeigt jedoch das Gegenteil. LiFePO4-Batterien (LFP) machen etwa 1/3 des gesamten LIB-Marktes aus. Der Materialwert der verbrauchten LFP-Batterien ist jedoch zu gering, um von der Abfallwirtschaft kostendeckend gesammelt und recycelt zu werden. Kathodenmaterial am Ende der Lebensdauer (EOL) von LFP-Batterien hat jedoch ein sehr hohes Potenzial für die Wiederverwendung in neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Batterien (SIB), da die zugrundeliegende Chemie von SIB der von LIB sehr ähnlich ist, während SIB gleichzeitig von den gut verfügbaren Natrium-Ressourcen (Na kommt etwa 440 Mal häufiger vor als Li) und niedrigeren Gewinnungskosten profitieren können. Dies ermöglicht völlig neue Wege zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Dadurch kann die Materialabhängigkeit Deutschlands reduziert und politische, ökologische und wirtschaftliche Risiken minimiert werden.
Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung innovativer, kostengünstiger und nachhaltiger Elektrodenmaterialien für eine neue Generation von Natrium-Ionen-Batterien. Um die spezifische Kapazität von SIB zu erhöhen, werden maßgeschneiderte Metallanoden durch galvanische Abscheidung von dünnen Na-Filmen auf 2D/3D-Stromabnehmern hergestellt. Durch die Wiederverwendung von verbrauchtem LFP-Material als wichtiger Grundstoff für neue NaFePO4-basierte Kathoden wird ein hohes Maß an Nachhaltigkeit für die neuartigen Natrium-Ionen-Batterien angestrebt. In dem Projekt werden Nachhaltigkeitsaspekte (Ökobilanz) zu den neuen Materialien bereits während der Entwicklung der Batteriekomponenten und Herstellungsprozesse berücksichtigt.
Zu den Forschungspartnern zählen neben dem fem – Forschungsinstitut, das für die Projektkoordination des Verbundes und für die galvanische Herstellung und elektrochemische Charakterisierung der Natrium-Anoden zuständig ist, die Universität Sakarya aus der Türkei (Aufarbeitung von verbrauchten LFP-Kathodenmaterial), das IEES-BAS aus Bulgarien (Herstellung von NaFePO4-Aktivmaterial aus FePO4-Recylingmaterial), die Firma Niocycle Teknoloji aus der Türkei (Bereitstellung und Aufreinigung von Kathodenmaterial aus verbrauchten LFP-Batterien) und die Firma EurA AG (ökologische und ökonomische Bewertung der einzelnen Batteriekomponenten und Herstellungsprozesse).
Gemeinsam mit den assoziierten Industriepartnern Reelements GmbH, Accurec – Recycling GmbH, Nesstec Energy & Surface Technologies AS und Vaulta Holding Pty Ltd soll bis Ende 2028 ein leistungsfähiger Demonstrator einer Natrium-Ionen-Batteriezelle mit Natriummetallanode und Kathodenmaterial aus recyceltem LFP-Material entstehen.
DANKSAGUNG
Das internationale Verbundprojekt (03XP0617A) wird im Rahmen der BMBF-Bekanntmachung M-ERA-NET III – Materialwissenschaft und Batterie im FB „Inaktivmaterialien und –komponenten für Batteriezellen“ bzw. Alternative Batteriesysteme“ aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Förderrichtlinie wird durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.
Entwicklung von Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien auf Basis von Polyacrylnitril-Schwefel-Kathoden (NaS-Zelle)
Im Kontext der Energiewende nehmen Energiespeicher eine zentrale Position ein. Mit der steigenden Anzahl mobiler Anwendungen wächst auch der Bedarf an stationären Energiespeichern, insbesondere für die Zwischenspeicherung von aus erneuerbaren Energien erzeugtem Strom. Eine besonders effiziente Methode zur Energiespeicherung stellen elektrochemische Energiespeicher dar. Derzeit dominieren Lithium-Ionen- Batterien den Markt der elektrochemischen Energiespeicher. Jedoch ist die begrenzte globale Verfügbarkeit von Lithium, Nickel und Kobalt, die als essenzielle Bestandteile der Kathode fungieren, ein erheblicher Nachteil.
In den letzten Jahren haben sich die Forschungsaktivitäten auf alternative Batteriesysteme erheblich intensiviert. Vielversprechende Kandidaten sind Natrium-Ionen-Batterien und Natrium-Schwefel-Batterien, da Natrium in der Erdkruste etwa 440-mal häufiger vorkommt als Lithium. Zwar weisen Natrium-Ionen-Batterien geringere Energiedichten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien auf. Jedoch können durch die Verwendung von Schwefel als Kathodenmaterial deutlich höhere Energiedichten erreicht werden. Schwefel ist darüber hinaus weitreichend verfügbar, kostengünstig und besitzt weder toxische noch umweltgefährdende Eigenschaften.
Erste Ansätze zur Entwicklung von Natrium-Schwefel-Batterien gibt es bereits seit Mitte der 1970er Jahre. Das hierbei ent-
wickelte Hochtemperaturverfahren, bei dem Natrium und Schwefel bei 350 °C im flüssigen Aggregatzustand vorliegen, bringt allerdings hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien in der Zelle und im Gehäuse mit sich. Neuere Ansätze fokussieren sich auf Raumtemperaturzellen, ähnlich den Lithium-Schwefel-Batterien. Dennoch bestehen dabei ähnliche Herausforderungen. So treten im Zellbetrieb Volumenänderungen an der Kathode und der Anode auf, Polysulfide, die während der Zellreaktion gebildet werden, gehen unerwünschte Nebenreaktionen mit der Anode ein und Schwefel bzw. Natriumsulfid muss elektrisch leitfähig bleiben, um die Reversibilität der Zellreaktion zu gewährleisten.
Zur Bewältigung der bestehenden Herausforderungen konzentriert sich dieses Projekt auf die Entwicklung von Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien, die auf Polyacrylnitril-Schwefel-Kathoden basieren. Ein spezieller Temperaturprozess wird verwendet, um Schwefel in das Polyacrylnitril einzubetten. Dies führt zur Umwandlung des Polyacrylnitrils in eine elektrisch leitfähige Matrix mit hoher Oberfläche, in der der Schwefel fest integriert ist. Dies ermöglicht die elektrische Anbindung des Schwefels und bildet gleichzeitig ein elastisches Gerüst, das die Volumenänderung des Schwefels kompensiert und die Abwanderung von Polysulfide minimiert.
Für die Natriumanode werden galvanisch hergestellte Natriumschichten verwendet. Das galvanische Verfahren ermöglicht die präzise Herstellung dünner Natriumschichten mit einstellbarer Morphologie, die mechanisch schwer darstellbar sind. Auf diese Weise lässt sich die in der Zelle vorhandene Natriummenge gezielt einstellen und es wird ein mit Sicherheitsrisiken verbundener Natriumüberschuss vermieden. Ziel des Projekts ist die Demonstration einer funktionsfähigen Zelle mit hoher Kapazität und guter Zyklenstabilität.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 01IF23177N wird im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Entwicklung und Fertigung von aluminiumbasierten Bipolarplatten mit Anwendung in NT-PEM-Brennstoffzellen (AluBiPEM)
Zur flächendeckenden Einführung der Brennstoffzellentechnologie bedarf es sowohl Produkt- als auch Prozessinnovationen, die auf eine Steigerung der Produktperformance und/oder auf eine Reduktion der Produktionskosten abzielen. Zentrale Zielstellung des Forschungsprojekts AluBiPEM ist daher der Einsatz von Aluminium als Substratwerkstoff für die Schlüsselkomponente Bipolarplatte (BPP), anstelle von Edelstahl, dem aktuellen Stand der Technik.
Der Einsatz von Aluminium als BPP-Material ermöglicht es allein aus Sicht der Materialherstellung Treibhausgasemissionen stark zu reduzieren. Weiterhin besitzt Aluminium materialintrinsische Vorteile – 3x geringere Dichte, 4x höhere Wärmeleitfähigkeit, 27x höhere elektrische Leitfähigkeit –, die zu einer Verbesserung der Produktperformance führen. Daneben stellt das vorliegende Forschungsvorhaben die Industrialisierung und eine Reduktion der Produktionskosten in Aussicht. Die Industrialisierung der BPP-Fertigung wird durch die vier zentralen Verfahren Kalanderprägen, Beschichten, Laserstrukturieren und Galvanisieren realisiert. Alle vier Fertigungstechnologien weisen bereits einen hohen technologischen Reifegrad (8–9) auf und sind industriell etabliert. Sie bieten darüber hinaus die Möglichkeit, neben einer batch-basierten Sheet-to-Sheet Fertigung für mittlere Stückzahlen Skaleneffekte für die industrielle Massenfertigung durch einen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess zu erzielen, der möglicherweise erst mit dem Substrat Aluminium zu realisieren ist.
Im Projekt fungiert die Fa. Unicorn Engineering als Verbundkoordinator. Weitere Verbundpartner sind neben dem fem das ZSW, Fraunhofer ILT, SB Brutschin GmbH, Eloxal Höfler GmbH, Pulsar Photonics GmbH und Gramm Technik GmbH.
Im Teilvorhaben des fem ist die zentrale Aufgabe die Entwicklung eines galvanischen Schichtaufbaus für die elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte mit der Gasdiffusionslage. Die Entwicklung eines korrosionsbeständigen neuartigen galvanischen Schichtaufbaus mit möglichst geringen Kontaktwiderstand steht hier im Fokus. Zudem erfolgt am fem die umfangreiche Charakterisierung der Substratmaterialien und Schichtsysteme.
DANKSAGUNG
Das Verbundprojekt wird im Rahmen des 7. Energie Forschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Förderrichtlinie wird durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.
Anoden-Plasma ionisiertes Magnetron-Sputtern (APiMS)
Im Invest BW-Forschungsvorhaben APiMS wird ein effizientes PVD-Sputter-Verfahrens erforscht und entwickelt, welches zur Verkürzung der Beschichtungsdauer und dadurch zur Strom- und CO₂-Einsparung führen soll.
PVD (Physical Vapor Deposition) Verfahren zählen zu den ökonomischen, umweltfreundlichen Oberflächen-Beschichtungstechnologien. Obwohl PVD eine bewährte Technologie ist, werden immer wieder Möglichkeiten für weitere technologische Verbesserungen entdeckt. Die in diesem Forschungsvorhaben beschriebene Projektidee verbindet erst kürzlich für technologische Anwendungen entdeckte Möglichkeiten der zusätzlichen Plasmaerzeugung an einer Anode mit dem PVD-Verfahren der Kathodenzerstäubung, auch Magnetron-Sputtern genannt. Damit wird eine signifikant höhere Ionisierung sowohl des Arbeitsgases als auch des zerstäubten Materials erzielt. Dies führt zu einem effizienteren Fluss der Beschichtungsteilchen zum zu beschichtenden Bauteil, zu besseren Schichteigenschaften und folglich zu einer deutlichen Reduzierung der Beschichtungszeit. Der ökologische Nutzen dieser Technologieverbesserung führt zu einer signifikanten Verringerung des Stromverbrauchs und damit zur CO₂-Einsparung.
Die höhere Ionisierung in der Vakuumkammer wird zu einer Erhöhung der Schichthaftung und der Schichthärte führen. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften der Schicht und somit die Standzeit von beschichteten Werkzeugen oder die Verschleißeigenschaften von beschichteten Bauteilen verbessert.
Danksagung
Das Invest BW Forschungsvorhaben BW1 5038/02 des fem Forschungsinstitutes wird gefördert durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.
Calcium-Schwefel: Innovative Materialentwicklung für nachhaltigere Batterien (CaSino)
Die Energiewende ist nur dann erfolgreich, wenn neben der Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen auch die die Entwicklung von kosten- und ressourceneffizienten Energiespeichern vorangetrieben wird. Batteriezellen mit der einzigartigen Materialpaarung aus Calcium und Schwefel sind ein aussichtsreicher Kandidat für die Nachfolge der derzeit üblichen Lithium-Ionen-Batterien: Sie reduzieren die Materialabhängigkeit Deutschlands, minimieren politische, ökologische und wirtschaftliche Risiken und bieten aufgrund geringer Kosten, guter Verfügbarkeit und hoher Energiedichte ein enormes technologisches Potential.
Dieses Potential auszuschöpfen ist Ziel des FuE-Projekts “Calcium-Schwefel: Innovative Materialentwicklung für nachhaltigere Batterien”, kurz CaSino. Zu den Forschungspartnern zählen neben dem fem, das für die galvanische Herstellung der Calcium-Anoden zuständig ist, das KIT (elektrochemische Charakterisierung des Ca-Batterie-Elektrolyten), das DLR (Herstellung der Schwefel-Kathoden), das HIU (Modellierung der Prozesse in der Calcium-Schwefel-Vollzelle) und das NMI (Grenzflächenmorphologie und Strukturaufklärung). Die EuRA AG übernimmt die ökologische Bewertung der einzelnen Batteriekomponenten.
Gemeinsam mit den Industriepartnern Alantum, Varta, Custom Cells, Accurec und IoLiTec soll bis 2025 ein leistungsfähiger Demonstrator der Calcium-Schwefel-Batteriezelle entstehen.
DANKSAGUNG
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Bekanntmachung „Batterie 2020 Transfer“ mit ca. 3 Millionen Euro gefördert.
Entwicklung neuer Aktivlotlegierungen durch Ultraschall-Plasmaverdüsung für das Fügen von Keramik-Keramik- und Metall-Keramik-Verbunden
Hintergrund
Verfügbare Aktivlotpasten basieren nahezu ausschließlich auf Silber- und Silber-Kupfer-Legierungen, wodurch die Temperaturstabilität der Verbunde begrenzt ist. Höhere Temperaturstabilitäten können mit auf Edelmetallen (Pd, Pt) basierenden Aktivloten erzielt werden; diese sind aber deutlich teurer. Es besteht daher ein Bedarf an neuartigen Aktivlotlegierungen, die stabile Verbunde für Anwendungstemperaturen von 1000 °C bis ca. 1200 °C ermöglichen. Neben dem Hauptinteresse der Realisierbarkeit entsprechender Verbunde ist auch die reine Metallisierung funktioneller keramischer Oberflächen für eine elektrische Kontaktierung von Interesse.
Aktivlotpasten werden meist in geringen Mengen, jedoch in großer Vielfalt, spezialisiert und optimiert für definierte Anwendungsfälle, benötigt. Mit der Ultraschall-Plasmaverdüsung ist es möglich, kleine Chargengrößen sowie Legierungssysteme, die schmelzmetallurgisch schlecht oder gar nicht mischbar sind, zu realisieren. Hierzu sollen neue, in Grundlagen bereits bekannte Aktivlotsysteme, evaluiert, optimiert und angepasst werden. Zusätzlich zur Pulverherstellung ist die Abstimmung der Pasten auf den Aktivloteinsatz ein sehr wichtiger Aspekt. Für eine industrielle, automatisierte Applikation der Lotpasten mittels Siebdruck und Dispenstechnologie sind rheologische Eigenschaften und Feststoffgehalte anzupassen. Zudem muss eine zuverlässige Entbinderung im Vakuum möglich sein. Die Untersuchungen werden mittels statistischer Versuchsplanung (DOE) und multivariater Datenanalyse (MVDA) unterstützt, um eine hohe Effizienz in Bezug auf die zu untersuchende Vielfalt sowie eine höhere Aussagekraft der Ergebnisse zu gewährleisten.
Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung temperaturstabiler und nicht auf Edelmetallen basierender Aktivlotlegierungen, die Pulverherstellung mittels Ultraschall-Plasmaverdüsung sowie die Optimierung von Aktivlotpasten. Die Aktivlottechnologie ermöglicht die Realisierung von Metall-Keramik-Verbunden in nur wenigen Prozessschritten, da eine direkte Benetzung keramischer Oberflächen möglich ist. Die Applikation dieser Lote als Pulver bzw. Pasten bringt im Vergleich zu Formteilen (Draht, Folie) Vorteile in der automatisierten Anwendbarkeit (Siebdruck, Dispensen) mit sich und minimiert Materialverluste.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 22117 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) 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.
