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.
ACKNOWLEDGEMENT
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.
ACKNOWLEDGEMENT
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.
Acknowledgement
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.
ACKNOWLEDGEMENT
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.
Anode Plasma Ionized Magnetron Sputtering (APiMS)
An efficient PVD sputtering process is being investigated and developed in the Invest BW project „APiMS“, which should lead to a reduction in coating time and thus to electricity and CO₂ savings.
PVD (Physical Vapor Deposition) processes are among the most economical, environmentally friendly surface coating technologies. Although PVD is a proven technology, opportunities for further technological improvements are constantly being discovered. The project idea described in this research project combines recently discovered possibilities of additional plasma generation at an anode with the PVD process of cathode sputtering (also known as magnetron sputtering) for technological applications. This achieves a significantly higher ionization of both the working gas and the sputtered material. This leads to a more efficient flow of the sputtered species to the component to be coated, to better coating properties and thus to a significant reduction in coating time. The ecological benefits of this technological improvement lead to a significant reduction in electricity consumption and thus to CO₂ savings.
The higher ionization in the vacuum chamber will lead to an increase in coating adhesion and coating hardness. This improves the mechanical properties of the coating and thus the service life of coated tools or the wear properties of coated components.
Acknowledgement
The Invest BW project BW1 5038/02 of the fem Forschungsinstitut is funded by the Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.
Calcium sulphur: Innovative material development for more sustainable batteries (CaSino)
The energy transition will only be successful if, in addition to the generation of electricity from renewable energy sources, the development of cost- and resource-efficient energy storage systems is also driven forward. Battery cells with the unique material pairing of calcium and sulphur are a promising candidate for the successor to the lithium-ion batteries currently in use: They reduce Germany's dependence on materials, minimise political, ecological and economic risks and offer enormous technological potential due to their low cost, good availability and high energy density.
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.
Together with the industrial partners Alantum, Varta, Custom Cells, Accurec and IoLiTec, a high-performance demonstrator of the calcium-sulphur battery cell is to be developed by 2025.
ACKNOWLEDGEMENT
The project is being funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with around 3 million euros as part of the "Battery 2020 Transfer" programme.
Development of new active solder alloys by ultrasonic plasma atomisation for the joining of ceramic-ceramic and metal-ceramic composites
Background
Available active solder pastes are almost exclusively based on silver and silver-copper alloys, which limits the temperature stability of the composites. Higher temperature stabilities can be achieved with active solders based on precious metals (Pd, Pt), but these are significantly more expensive. There is therefore a need for new types of active solder alloys that enable stable composites for application temperatures of 1000 °C to approx. 1200 °C. In addition to the main interest in the feasibility of corresponding composites, the pure metallisation of functional ceramic surfaces for electrical contacting is also of interest.
Active solder pastes are usually required in small quantities, but in a large variety, specialised and optimised for defined applications. With ultrasonic plasma atomisation, it is possible to realise small batch sizes and alloy systems that are difficult or impossible to mix using melting metallurgy. To this end, new active soldering systems, the fundamentals of which are already known, are to be evaluated, optimised and adapted. In addition to powder production, matching the pastes to the active solder application is a very important aspect. Rheological properties and solids content must be adapted for industrial, automated application of the solder pastes using screen printing and dispensing technology. In addition, reliable debinding in a vacuum must be possible. The investigations are supported by statistical design of experiments (DOE) and multivariate data analysis (MVDA) in order to ensure a high level of efficiency with regard to the variety to be analysed and a higher significance of the results.
GOAL
The aim of the research project is to develop temperature-stable active solder alloys that are not based on precious metals, to produce powder using ultrasonic plasma atomisation and to optimise active solder pastes. Active brazing technology enables the realisation of metal-ceramic composites in just a few process steps, as direct wetting of ceramic surfaces is possible. The application of these solders as powders or pastes has advantages over moulded parts (wire, foil) in terms of automated applicability (screen printing, dispensing) and minimises material losses.
Acknowledgement
The IGF project 22117 BG of the research association Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) is funded via the AIF as part of the programme for the promotion of joint industrial research (IGF) by the Federal Ministry of Economics and Climate Action on the basis of a resolution of the German Bundestag.
