Projects
Current projects (due date 08/2020)
- [Leistungs- und Transferzentrum: Smart Production and Materials (SPM)]
- [Superharte keramische Komposite (Superhard Ceram)]
- [Strukturmechanische Kathodenadaption an Silizium und Lithiumbasierte Anodenwerkstoffe (KaSiLi)]
- [Modellgestützte Auslegung und Optimierung von extrusions-basierten Elektroden und Vollzellen (OptiEx)]
- [Artificial Solid Electrolyte Interphase development on single particle Li-ion anode materials via ALD - formation, modification and detection]
- [Gradientenfreie Thermo-Elektrochemische Energieumwandlung auf Basis keramischer Interkalationsmaterialien (TEEKI)]
- [Bewertung des Verdichtungsverhaltens von Pulvern und Granulaten im instrumentierten Pressversuch]
Leistungs- und Transferzentrum: Smart Production and Materials (SPM)
Das Leistungszentrum »Smart Production« ist eines der im Rahmen der Standort-entwicklung etablierten 17 Leistungszentren der Fraunhofer-Gesellschaft. Es wurde zum 5. Juli 2017 gegründet und wird aus Mitteln des Freistaates Sachsen sowie von der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Das Leistungszentrum »Smart Production« fokussiert unter Einbeziehung von Akteuren der sächsischen Produktionsforschung, der Werkstoff- und Leichtbauforschung sowie der Elektroniktechnologie bei der Ausgestaltung strategischer Forschungsschwerpunkte auf eine interdisziplinäre profilbildende Clusterung. Ein Hauptziel des Leistungszentrums ist es, die im Rahmen der Forschungsprojekte entstehenden Ideen und Lösungen schnell für konkrete Anwendungsfälle weiterzuentwickeln.
Der Lehrstuhl für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe der TU Dresden ist Partner in diesem Konsortium und an folgenden Teilprojekten beteiligt:
- SPM-03: Texturierte bleifreie piezoelektrische Thermoplast-Feedstocks und –Fasern für die additiv generative Fertigung
- SPM-13: HardPrint - Funktionsgenerierung durch Werkstoffkombination von WC, TiCN, Co und Ni
- SPM-14: FuMiFlu - Funktionalisierte Mikrofluidkomponenten
- SPM-15: Insitu Qualitätsprüfung in der additiven Fertigung von Keramiken
- SPM-16: Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens zur adaptiven Prozesssteuerung für den Thermoplastischen 3D‐Druck von co-gesinterten Multimaterialbauteilen
Projektmitarbeiter: Andreas Lehmann, Christian Berger, Dr. Christoph Briegel, Manisha Dahal Finanzierung: SAB
Laufzeit: 07/2019 - 12/2020
Superharte keramische Komposite: Einfluss der Grenzflächen auf die Eigenschaften von unter Normaldruck gesinterten Kompositen (Superhard Ceram)
Kostengünstige, verschleißfeste Werkstoffe sind für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedensten Bereichen der Industrie und Gesellschaft von großer Bedeutung. Extrem verschleißfeste Werkstoffe basieren auf Diamant und kubischem Bornitrid (cBN). Diese müssen aber über Hochdruck- und Hochtemperaturprozesse hergestellt werden und sind daher hinsichtlich ihrer Größe, Geometrie und Kosten beschränkt. Diese extremen Bedingungen sind notwendig, da Diamant und cBN bei Normaldruck metastabil sind und während der Sinterung in ihre hexagonalen Phasen hBN und Graphit umwandeln. Literatur und eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass der Verschleiß der Komposite selbst bei geringen Volumenprozenten der Hartstoffe vom Diamant bzw. cBN bestimmt wird, wenn diese Körner fest eingebunden werden. Durch die feste Einbindung der Hartstoffe könnte also eine neue extrem verschleißfeste Werkstoffklasse geschaffen werden. Das gelingt bisher reproduzierbar nur bei SiC-gebundenen Diamantwerkstoffen, die durch reaktive Infiltration hergestellt werden. Für andere Matrixwerkstoffe und für cBN haltige Komposite ist das bisher trotz der Nutzung schneller Sinterverfahren wie Spark Plasma Sinterung (SPS) nicht reproduzierbar gelungen. Ein wesentlicher, bisher nicht systematisch untersuchter Ansatz um dieses Problem zu lösen, ist die Nutzung von beschichteten Diamant und cBN-Partikeln. Im Ergebnis der Promotion der Antragstellerin konnten Anforderungen an solche Schichten herausgearbeitet werden. Basierend auf diesen Vorarbeiten soll im Projekt systematisch die Wechselwirkung beschichteter Diamant und cBN-Partikel mit der Matrix während Sinterung und die sich ausbildende Struktur und Eigenschaften der Grenzflächen zu keramischen Matrizes (Al2O3; Si3N4) untersucht werden. Dazu stehen einerseits neu entwickelte dichte TiN-, TiC- und SiC- Schichten und Technologien für die Sinterung (SPS) zur Verfügung, andererseits wurde in Vorarbeiten Methoden der Artefakt freien Präparation und Analyse solcher Werkstoffe (FESEM; EBSD; XRD miro-Raman; TEM) erarbeitet und Methoden zur Untersuchung Quantifizierung der Grenzflächeneigenschaften, der Eigenspannungen, der mechanischen und Verschleißeigenschaften erprobt. Im Ergebnis soll geklärt werden, ob man durch solche Beschichtungen die Umwandlung der metastabilen Phasen unterdrücken kann. Die Wechselwirkung von unbeschichteten und beschichteten Partikeln mit den Matrizes und die daraus resultierenden Strukturen und Eigenschaften der Grenzflächen sollen aufgeklärt und die Folgen für das Verschleißverhalten verstanden werden. Die Ergebnisse sind einerseits wichtig für das Verständnis der Stabilisierung metastabiler Phasen, andererseits bilden sie eine Basis für zukünftige Entwicklungen kostengünstiger superharter verschleißfester Werkstoffe.
Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis Projektmitarbeiter: Frau Dr. Anne-Kathrin Wolfrum Finanzierung: DFG
Laufzeit: 11/2019 - 03/2023
Strukturmechanische Kathodenadaption an Silizium und Lithiumbasierte Anodenwerkstoffe (KaSiLi)
Das Projekt „KaSiLi“ ist ein Verbundvorhaben mehrerer Dresdner Forschungsein-richtungen (TU Dresden IfWW und AC1, Fraunhofer IWS und IKTS, Leibnitz IFW, NaMLab gGmbH) im Rahmen des Kompetenzclusters „Relevante Materialkonzepte für Hochenergiebatterien“ (ExcellBattMat) des Bundesministerium für Bildung und Forschung.
Im Fokus steht die Entwicklung von Hochenergie-Lithiumionenbatterie (LIB)-Zellen auf Basis von Silizium- und Lithium-Anoden, die eine Steigerung der volumetrischen Energiedichte um bis zu 65 % gegenüber herkömmlichen Lithiumionenzellen erlauben. Die deutlichen ladungszustandsabhängigen Volumenänderungen dieser Anoden-materialien auf der Mikroskala summieren sich jedoch zu einer (makroskopische) Dickenänderung der Batteriezellen und führen damit zu großen Herausforderungen bei der Integration der Zellen in Batteriesysteme. Hier setzt das Vorhaben mit innovativen Ansätzen zur Reduzierung der Volumenänderungen an. Das Gesamtziel ist die Entwicklung von Hochenergie Zellen (Lithium-Schwefel und LIB) auf Basis von Lithium- und Silizium-Anoden mit einer Steigerung der Energiedichte gegenüber herkömmlichen LIB und einer Minimierung der Volumenänderung während des Zyklierens. Zum Erreichen dieser Ziele wird im Projekt von der Material- und Prozessentwicklung über beigeordnete Analytik und darauf basierende strukturmechanische Anpassung der Einzelkomponenten bis zur Fertigung von Prototypzellen die Wertschöpfungskette der Batteriezellfertigung betrachtet.
Die an der Professur ANW angesiedelten Arbeiten umfassen dabei zum einen die Entwicklung von NCM-Kathoden, deren elektrochemische Eigenschaften (z.B. Kapazität, Stromtragfähigkeit) und mechanisches Verhalten an das Verhalten von Siizium- und Lithium-Anoden angepasst ist, um die starken Volumenänderungen dieser Anodenmaterialien weitest möglich zu kompensieren. Dies wird durch geschickte Pulverauswahl und entsprechende Anpassung der Elektrodenprozessierung realisiert. Die einzelnen Prozessschritte (Pulveraufbereitung, Slurry-Rezeptur, Folienguss) haben ihren Ursprung in der Herstellung von Keramischen Bauteilen, so dass am Lehrstuhl großes Fachwissen zur Verfügung steht. Zum anderen liegt der Fokus auf dem Verständnis des elektrochemischen Verhaltens der einzelnen Komponenten sowie deren Interaktion in einer Batteriezelle. Dazu dienen die Arbeiten in der Gruppe „Kombinatorische Mikroelektrochemie“. Dabei werden Lithium- und Silizium-Anoden sowie auch angepasste NCM-Kathoden charakterisiert, wobei konventionelle und auch innovative (Transientenverfahren, Staircase-GITT, LEIS) elektrochemische Messverfahren sowie komplementäre materialdiagnostische Methoden (XRD, Schwingungsspektroskopie, Mikroskopie) sowohl ex situ als auch als operando-Verfahren zum Einsatz kommen. Abgerundet werden diese experimentellen Arbeiten durch modellbasierte Berechnung von Elektrodeneigenschaften und – daraus resultierend – die Auslegung Elektroden und ganzen Vollzellen hinsichtlich ihrer „Designparameter“ wie Elektrodendicke/-Porosität, Balancierung, Elektrolytvolumen, etc.
Projektleiter: Dr. Ulrike Langklotz Projektmitarbeiter: Jonas Ulsenheimer, Oliver Lohrberg, Wilhem Boldt Finanzierung: BMBF
Laufzeit: 11/2019 - 10/2022
Modellgestützte Auslegung und Optimierung von extrusions-basierten Elektroden und Vollzellen (OptiEx)
An der TU Dresden (TUD) sollen auf Basis umfangreicher Vorarbeiten zu Blend- und Mehrschicht-systemen modellgestützte Vorgaben für die Elektrodenauslegung hinsichtlich optimaler Strukturen und Materialkombinationen für maximale Energiedichte und Schnellladefähigkeit der extrusionsba-sierten Batteriezellen erarbeitet werden. Dazu werden die im Rahmen der ersten ProZell-Phase im HiLo Projekt entwickelten analytischen Werkzeuge zur modellgestützten Optimierung des Elektro-dendesigns um den Einfluss von Blend- und Mehrschichtsystemen erweitert. Des Weiteren sollen die auf Elektrodenebene durchgeführten Betrachtungen hin zu Vollzellen inkl. Zellgehäuse und zusätzlicher Peripherie ausgebaut werden, um etwaige Einflüsse auf die optimalen Strukturen und Materialkombinationen zur Maximierung von Energiedichte und Schnellladefähigkeit der extrusi-onsbasierten Batteriezellen zu ermitteln. Nach Validierung der entwickelten Modelle ist es Ziel die optimierten Elektrodenparameter, entsprechend spezifischer Anforderungen und Randbedingun-gen, an die Projektpartner zur praktischen Umsetzung zu übergeben. Nach erfolgter Umsetzung soll ein weiterer Abgleich zu den Modellvorhersagen stattfinden. Dieses Vorgehen hat das Ziel eine signifikante Reduktion iterativer Schritte bei der praktisch-empirischen Optimierung zu errei-chen sowie zusätzlichen Input und Ansätze für die Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Pilotmaßstab zu liefern.
Ein weiteres Arbeitsziel besteht im Aufbau eines grundlegenden und detaillierten Verständnisses der elektrochemischen Eigenschaften der hergestellten extrusionsbasierten Elektroden unter Ver-wendung fortgeschrittener elektroanalytischer Methoden. Dabei gilt es limitierende Prozesse und damit verbundene Optimierungspotentiale zu identifizieren und kinetische Parameter zu ermitteln, welche wiederum in die Modellbildung einfließen, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern. Dies beinhaltet auch die elektrochemische und spektroskopische Charakterisierung der Elektroden hinsichtlich Homogenität und Defekten und damit der Reproduzierbarkeit des Extrustionsprozes-ses mittels potentiell skalierbarer Verfahren.
Das iterativ wechselseitige Zusammenspiel zwischen theoretischer Modellbildung, experimenteller Validierung und Mechanismenaufklärung von extrusionsbasierten Elektroden soll in Kooperation mit den Verbundpartnern die Herstellung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermöglichen, was wiederum Basis für eine wissensbasierte, und dadurch effektive und zielgerichtete Elektrodenfertigung ist.
Projektleiter: Dr. Ulrike Langklotz Projektmitarbeiter: Karsten Voigt (ab 11/2020) Finanzierung: BMBF
Laufzeit: 07/2020 - 06/2023
Artificial Solid Electrolyte Interphase development on single particle Li-ion anode materials via ALD - formation, modification and detection
Hierbei handelt es sich um ein Kooperationsprojekt des Lehrstuhls mit der Arbeitsgruppe um Professor Yair Ein-Eli am Technion-Institut in Tel Aviv, Israel:
"Alloying and conversion anode materials for lithium ion batteries exhibit outstanding
theoretical capacities but suffer from stability and lifetime limitations caused by dramatic
volume changes during cycling. The volume expansion during lithiation causes a disruption of the solid electrolyte interphase (SEI) and subsequent recreation, resulting in reduced coulombic efficiency, large initial capacity loss and insufficient cycle life and safety
performance. A major approach to tackle these critical issues is the development of an
advanced artificial SEI layer at the surface of the active material particles. In contrast to the “natural” SEI, which is constructed from decomposition products of the electrolyte during the first cycle, an artificial SEI can be designed with specific properties, such as flexibility and low charge transfer resistance. However, this is a sophisticated scientific challenge and requires a deep understanding of both the formation of the artificial SEI and the resulting electrochemical properties at the particle level. Therefore, the joint project aims at the development of an artificial SEI layer on graphite and Si (Li-alloying anode material), and indepth analysis of this system. This will be done by coating anode powder material with nanometric layers of LiF/Li2CO3/Alkyl-carbonate species using Atomic Layer Deposition (ALD). In order to understand the resulting electrochemical properties and to deduce further optimization potential accurately, analysis will be carried out using both single particle techniques and composite electrodes studies, that can directly be used in advanced lithiumion batteries."
Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis Projektmitarbeiter: Sebastian Maletti Finanzierung: GIF (German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development)
Laufzeit: 04/2020 - 03/2023
Gradientenfreie Thermo-Elektrochemische Energieumwandlung auf Basis keramischer Interkalationsmaterialien (TEEKI)
Technische Anlagen, geothermische Quellen und der Mensch selbst geben nahezu ununterbrochen Wärme mit beträchtlichen Leistungen ab. Allerdings ist eine nachhaltige ökologisch/ökonomische Nutzung dieser Wärmequellen, unter Verwendung derzeit bestehender Technologien zur direkten Umwandlung in elektrische Energie, aufgrund des geringen Temperaturniveaus eine große Herausforderung. Als vielversprechende Alternativen werden elektrochemische Prozessen diskutiert, welche im Vergleich zu den bestehenden Technologien wesentlich effektiver und kostengünstiger sein können. Im Rahmen des Projektes soll auf Basis vielversprechender Vorversuche ein neuartiges Zellkonzept zur thermo-elektrochemischen Energieumwandlung unter Verwendung keramischer Interkalationsmaterialien erprobt werden. Dabei werden als Anode und Kathode substöchiometrische Interkalationsmaterialien (z.B. Li-, Na-, K- basiert) mit vergleichbaren Potentiallagen und möglichst hohen, entgegengesetzten Reaktionsentropien eingesetzt. Eine Temperaturänderung (kein Gradient!) der Zelle bewirkt den Aufbau einer Zellspannung entsprechend der jeweiligen Reaktionsentropien der Anoden- und Kathodenreaktionen. Die Zelle wird buchstäblich durch die Temperaturänderung geladen (analog Pyroelektrika). Während des Entladens (Energiegewinnung) werden die Wirtsgitter der Interkalationsmaterialien oxidiert bzw. reduziert und entsprechend Alkali-Metallionen aus- und eingelagert bis die Zellspannung wieder auf 0 V absinkt. Dieser Prozess ist vollständig reversibel. Nach Umpolung und Rückkehr zur initialen Temperatur kann die Zelle abermals entladen. Ein derartiges Konzept zur direkten Umwandlung von Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau in elektrische Energie könnte erhebliche Vorteile gegenüber anderer Technologien zur Abwärmenutzung bzw. Energy Harvesting bieten. In Ermangelung wissenschaftlicher Arbeiten und experimenteller Daten kann diese Aussagen derzeit allerdings nicht geprüft bzw. quantifiziert werden. Auf Basis vielversprechender Voruntersuchungen wollen die Antragsteller im Rahmen des geplanten Projektes ein fundamentales Verständnis der thermo-elektrochemischen Energieumwandlung anhand einiger typischer keramischer Interkalationsmaterialien erarbeiten. Dies beinhaltet v.a. mechanistische Fragestellungen bzgl. der Funktionsweise sowie wesentlich Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Interkalationsmaterialien und der daraus hergestellten thermo-elektrochemischen Zellen. Letztendlich soll auf der Basis der experimentellen Untersuchungen eine modellhafte Beschreibung der thermo-elektrochemischen Energieumwandlung erfolgen, welche anschließend z.B. zur Identifikation geeigneter Material- und Designeigenschaften herangezogen werden kann.
Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis Projektmitarbeiter: Tobias Liebmann Finanzierung: DFG
Laufzeit: 07/2020 - 06/2022
Bewertung des Verdichtungsverhaltens von Pulvern und Granulaten im instrumentierten Pressversuch
Der Erfolg der Verdichtung von Pulvern oder Granulaten durch uniaxiales Pressen zu dichten, festen, homogenen und defektarmen Formkörpern ist in hohem Maß vom Einsatz zweckoptimierter Binde- und /oder Gleitmittel abhängig. Deren Auswahl aus einer unüberschaubaren Vielfalt sowie die Charakterisierung ihrer Wirksamkeit erfolgten bisher nahezu ausschließlich empirisch. Mit Hilfe eines in einem breiten Druckbereich einsetzbaren instrumentierten Presswerkzeuges ist eine Einschätzung des Verdichtungsverhaltens auf der Basis exakter physikalischer Parameter möglich. Über die konventionelle Druck - Dichte - Kurve hinaus werden Formkörperfestigkeit, reibspezifische Parameter wie Kraftdurchgangs-, Wandreibungs- und Pulverreibungskoeffizient, Ausstoßkräfte, eine Energiebilanz der Verdichtung, Parameter der elastischen Relaxation sowie Druck- und Dichteverteilungen ermittelt. In Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern aus der Industrie werden unmittelbar praxisrelevante Probleme bei der Verdichtung von vorzugsweise Materialien der Hochleistungskeramik (Aluminiumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid), der Mangan - Zink - Ferrite, Hartmetalle, Steatite, Metallpulver sowie Polymere bearbeitet.
Projektleiter: Herr Dr. Manfred Fries (Fraunhofer IKTS)
Finanzierung: Industrie
Laufzeit: kontinuierlich