Completed projects

projects 2016 - 2022

projects before 2016

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: DFGLaufzeit: 07/2020 - 06/2022

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  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

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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 (Wechsel ans IKTS 12/2023) Finanzierung: DFG                                                                                                                        Laufzeit: 11/2019 - 03/2023

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   Batterie mobil in Sachsen (BamoSa)

Das Gesamtziel des beantragten Verbundprojekts ist der Aufbau eines WING-Zentrums für Batterieforschung Dresden. Dieses soll chemische, materialwissenschaftliche und prozesstechnologische Kernkompetenzen der Verbundpartner bündeln und die Entwicklung neuartiger Energiespeichersysteme und Herstellungstechnologien für den Einsatz im Sektor Elektromobilität vorantreiben. Es wird in zwei Teilprojekten an der Entwicklung von cobaltfreien Lithium-Ionen-Zellen mit erhöhter Speicherkapazität, bzw. von Lithium-Schwefel-Zellen mit mindestens doppelter Speicherkapazität gegenüber verfügbaren Lithium-Ionen-Zellen geforscht. Diese Ziele sollen durch drei komplementär aufgestellten Forschergruppen (Zellmorphologie, Zelldesign & -analytik, Zellprozessierung) erarbeitet werden. Die Professur ANW wirkt in zwei Forschergruppen mit, wobei die Schwerpunkte auf der Entwicklung keramischer Materialien für Elektroden und Separatoren, der Prozessierung sowie der elektrochemischen Charakterisierung und Mechanismenaufklärung liegen.

Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis                                  Mitarbeiter: Christian Heubner, Ulrike Langklotz, Matthias Seidel                              Finanzierung: BMBF                                                                                                                            Laufzeit: 2013 - 2019

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Umweltfreundliche Hochenergie-NCM 622-Kathoden mit optimierter Speicherkapazität/High-Load-Kathoden (HiLo)

Die Erhöhung der Energiespeicherdichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen ist eines der zentralen Ziele aktueller Entwicklungen, um die Anforderungen vor allem automobiler Anwendungen zu erfüllen. Ein wesentlicher Ansatzpunkt dafür liegt in der Optimierung der Kathodenstruktur und deren Speicherinhalt, da diese den ‚Lithiumlieferanten‘ für die Zelle darstellt. Ziel ist es dabei, den theoretisch möglichen Speicherinhalt des Aktivmaterials möglichst vollständig in die Energiedichte des Elektrodenaufbaus zu überführen. Eine erhöhte Schichtdicke reduziert dabei den Anteil inaktiver Materialien (z.B. Stromableiter) und eine erhöhte Elektrodendichte verbessert die volumetrische Energiedichte der Elektrode. Allerdings ergeben sich Einschränkungen aus der Verarbeitbarkeit in den Folgeprozessen der Zellherstellung (mechanische Anforderungen, Dauer der Elektrolytbefüllung) und der Zellperformance im Betrieb (insbesondere limitierte Ratenfähigkeit durch limitierte Lithium-Ionendiffusion).

Das Projekt „HiLo“ ist eingebunden in das Kompetenzcluster „ProZell“ zur Stärkung der nationalen Batteriezellproduktion. Ziel des Projektes ist es, modellgestützt geeignete Elektrodenstrukturen (Flächengewicht, Porosität und Porengrößenerteilung, Partikelgrößenverteilung …) für die Maximierung des Speicherinhaltes für Hochenergieelektroden zu entwickeln und technologische Ansätze für die Realisierung solcher Elektroden zu untersuchen. Dafür sollen die Folienextrusion sowie innovative Trockenbeschichtungsverfahren betrachtet werden. Die Elektroden werden sowohl hinsichtlich Verarbeitbarkeit als auch Performance bewertet sowie die im Projekt entwickelten Modelle validiert. Kernaufgabe der Professur ANW ist, unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode und fortgeschrittener elektroanalytischer Verfahren, das Diffusionsverhalten und die Aktivmaterialausnutzung in High-Load-Elektroden zu untersuchen. Mittels Simulationen sollen optimale Elektrodenstrukturen gefunden werden. Die Modellparameter (Partikelgröße, Elektrodendicke, Porosität, Morphologie) werden dazu hinsichtlich eines Elektrodendesigns für maximale Energiespeicherdichte optimiert. Dadurch soll wiederum eine signifikante Reduktion iterativer Schritte bei der praktischen, empirischen Optimierung erzielt werden. Die experimentellen Arbeiten dienen der Bestimmung limitierender kinetischer Prozesse in High-Load Elektroden und die damit verbundene Identifizierung von Optimierungspotentialen sowie der Validierung des Modells.

Projektleiter: Frau Dr. Ulrike Langklotz                                                                           Mitarbeiter: Nils Junker, Christian Heubner                                                              Finanzierung: BMBF                                                                                                                  Laufzeit: 2016 - 2019

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Sonderforschungsbereich / Transregio 39 "PT-PIESA"

     Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und -aktoren

Forschungsziel des geplanten SFB/TR ist die Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlagen für serienfähige Produktionstechnologien aktiver Strukturbauteile, im Speziellen für Leichtbaukomponenten mit stofflich integrierten piezokeramischen Fasern und Laminaten. Den Schwerpunkt bilden im ersten Antragszeitraum dünnwandige, flächige Strukturen aus Aluminium und Faserverbundwerkstoff.

Teilprojekt A1:Fertigungstechnologien für integrierbare piezoelektrische Fasern und LaminateGegenstand des Teilvorhabens sind serientaugliche piezoelektrische Fasern und Laminate zur Herstellung adaptiver Strukturkomponenten. Die Piezofasern sollen in Thermoplast-Verbundstrukturen und in für Umformprozesse geeignete mikrostrukturierte Leichtmetall-Träger integriert werden. Dies erfordert Fasern verschiedener Geometrie mit optimierten Sensor- bzw. Aktoreigenschaften, die schädigungsarm montierbar sind. Hierfür sollen neuartige PZT-Fasern mit Durchmessern >70 µm auf Basis des Polysulfon-Prozesses entwickelt und hergestellt werden. Grundlage dafür ist eine fundierte Auswahl der PZT-Zusammensetzung entsprechend dem Anforderungsprofil: große aktorische Wirkung und mögliche Umformbarkeit. Des Weiteren sollen Piezolaminate als Verbunde aus Piezokeramikschichten oder Piezokeramikplatten mit Stützsubstraten, Elektroden und Passivierungsschichten so hergestellt werden, dass sie den Fertigungsschritt des Druckgießens schädigungsfrei und funktionstüchtig überstehen. Beim Druckgießen werden die Module durch Füllen einer Form mit einer etwa 700°C heißen Metallschmelze kurzzeitig (<100 ms) mechanisch und thermisch hoch belastet. Beim nachfolgenden Abkühlen erfolgt ein Druckaufbau durch thermische Fehlpassung. Derartige Piezomodule, die komplett aus anorganischen Werkstoffen bestehen und eine Temperaturbelastbarkeit bis 700°C in Fertigungsschritten erwarten lassen, sind bisher nicht bekannt.

Teilprojektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis, Frau Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt                                                                                                                              Mitarbeiter: Herr Dipl.-Ing. Kai Hohlfeld, Herr Dipl.-Ing. Sebastian Rhein, Frau Susanne Tilke                                                                                                                                           Finanzierung: DFG                                                                                                                                Laufzeit: 07/2006 - 06/2018

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Wechselwirkung zwischen Gefüge und elektrochemischem Verhalten von carbidkeramischen Werkstoffen unter ECM-Bedingungen

Das Forschungsvorhaben soll grundlegende Erkenntnisse über die Möglichkeit der elektrochemischen Bearbeitung (ECM) von Hartmetallwerkstoffen sowie von leitfähigen SiC-basierten Keramiken und die dabei ablaufenden elektrochemischen Prozesse erbringen. Dabei geht es vor allem um die Aufklärung der Zusammenhänge zwischen der Struktur bzw. dem Gefüge der Werkstoffe, deren elektrochemischen Verhalten unter ECM-Bedingungen und den resultierenden Eigenschaften, insbesondere der Oberflächenqualität und der Randzonenschädigung. Der kombinatorische Ansatz elektrochemische Techniken (Zyklovoltammetrie, Pulstechniken) mit hoher lateraler Auflösung (Mikrokapillarzellen) und werkstoffanalytische Methoden (Mikroskopie, Spektroskopie, Reflektometrie, Beugungsverfahren) sowie Gefügeparameter (Phasenverhältnisse, Kristallitgröße) gezielt miteinander zu verknüpfen, erleichtert die Erfassung von Struktur-Gefüge-Eigenschafts-Korrelationen unter ECM-Bedingungen, sowie die Erarbeitung von Modellvorstellungen zum ECM der oben beschriebenen Werkstoffe. Damit wird die Grundlage für die technische Entwicklung einer alternativen Bearbeitung von Hartmetallen und SiC-Keramiken gelegt.

Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis und Herr Dr. Michael Schneider
Mitarbeiter: Nora Schubert, Nils Junker, Sandy Kaiser
Finanzierung: DFG
Laufzeit: 10/2011 - 12/2016

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Grundlagenuntersuchung zum Einsatz von porösen Keramikvliesen in Mikroreaktoren für heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von porösen Keramikvliesen zum Einsatz in strukturierten Reaktoren für heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen. Neben Grundlagenuntersuchungen zur Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung der Vliese unter Verwendung von katalytisch aktiven Perowskiten werden an den Formkörpern sowie an Modellkörpern Wärme- und Stofftransportmessungen durchgeführt. Hierbei finden materialwissenschaftliche und reaktionstechnische Untersuchungen in enger Abstimmung statt, um Einflüsse der Herstellparameter auf die katalytischen Eigenschaften zu berücksichtigen. Insbesondere wird die Nutzung der inneren Oberfläche der Vliesfasern angestrebt.

Projektleiter: Herr Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis und Herr Dr.-Ing. Matthias Jahn
Mitarbeiter: Frau Dipl.-Chem. Sandy Kaiser, Herr Dipl.-Ing. (FH) Erik Reichelt
Finanzierung: DFG
Laufzeit: 10/2012 - 06/2016

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Ulrike Langklotz
Last modified: Mar 08, 2023