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InnoEMat - Innovative Elektrochemie mit neuen Materialien

Elektrochemische Prozesse sind essentiell für die Herstellung von neuen Materialien und damit in fast allen Industriezweigen präsent.

Werkstofftechnologien.de

Informationen zu Bekanntmachungen, Veranstaltungen, Projekten sowie Kompetenzkarten zu Akteuren aus dem Bereich der Materialforschung

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Elektrochemische Prozesse

Sie gelten als entscheidende Schlüsseltechnologie, um den Herausforderungen des Klimawandels und der Energiewende zu begegnen.

3. InnoEMat-Statusseminar

Am 18. und 19. September 2019 fand das dritte InnoEMat-Statusseminar in Dresden statt.

Teilnehmer des 1. InnoEMat-Statusseminars in Leipzig

Positives Fazit nach erfolgreichem erstem Statusseminar am 23./24.11.2017 in Leipzig

Damit Blei-Säure-Batterien ihre wichtige Stellung zukünftig ausbauen können, hat das Vorhaben AddESun zum Ziel, innovative Materialien für stationäre Blei-Säure-Batterien zu erforschen, um eine energieeffizientere Herstellung, ein verbessertes Ladeverhalten sowie eine höhere Lebensdauer und Energiedichte zu ermöglichen. Im Vergleich zu anderen elektrochemischen Energiespeichern sind die Vorgänge in einer Blei-Säure-Batterie äußerst komplex und teilweise noch unverstanden. Das macht die Forschung daher gleichermaßen anspruchsvoll wie attraktiv. Zudem erlaubt die hohe Komplexität, dass noch immer erhebliche Potenziale dieser vermeintlich „alten“ Technologie geschöpft werden können und Blei-Batterien zukünftig als High-Tech-Produkt ihre zentrale Rolle für die Gesellschaft und die Wirtschaft weiter ausbauen.

Untersuchungen der Bausteine unseres Lebens, der DNA (DNA: Desoxyribonuklein(säure) (engl. acid)) ermöglichen sehr empfindliche Analysemethoden in der medizinischen Diagnostik. Die Diagnose vielfältiger Krankheitsbilder, von der einfachen bakteriellen Infektion bis hin zur Erfassung seltener Erbkrankheiten, ist so möglich. Allerdings erfordern diese eine hochmoderne Laborinfrastruktur sowie geeignetes und geschultes Personal. Weiterhin sind diese zeitaufwändig und begrenzt hinsichtlich der erfassbaren DNA-Muster. Das wirkt sich insbesondere bei der Bestimmung von sogenannten „Resistenzen“ nachteilig aus. Nur eine schnelle und sichere Resistenzbestimmung ermöglicht bei einer Infektion die richtige Auswahl des geeigneten Antibiotikums.

In vielen chemischen Synthesen in der Industrie fallen erhebliche Mengen an Abwässern an. Diese enthalten oft Salze, deren Konzentrationen jedoch so gering sind, dass eine Rückführung in die Produktion wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Zudem enthalten die Abwässer häufig organische Verunreinigungen, die abgetrennt werden müssen, weil sie in der Produktion Probleme verursachen würden. Die umweltgerechte Entsorgung dieser Abwässer ist mit hohen Kosten verbunden. Zudem stören salzhaltige Abwässer den biologischen Abbau in Kläranlagen und können Oberflächengewässer belasten.

Jeder von uns nutzt elektronische Bauteile in verschiedenster Form und möchte möglichst keinen Ausfall während der Nutzungsdauer haben. Deshalb müssen elektronische Baugruppen vor hohen Temperaturen und Feuchtigkeit gut geschützt werden. Und das ist nicht nur bei der Nutzung gefordert sondern auch beim Herstellprozess bzw. Einbau in Elektronikgeräte wie Handys, Tablets aber auch im Auto oder anderen Verkehrsmitteln. Bisher werden bewährte Lötverfahren eingesetzt, die aber gerade mit zunehmender Funktionalität der temperaturempfindlichen Bauelemente an ihre Grenzen stoßen. Deshalb sind Technologien mit einem geringeren Wärmeeintrag gefragt, die zum Verbinden von einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe genutzt werden können.

Die steigenden Ansprüche der Gesellschaft hinsichtlich Mobilität und Ökologie führen in der Automobilindustrie zu Mischbauweisen mit Leichtmetallen und höchstfesten Werkstoffen. Dabei stoßen etablierte Fügeverfahren zunehmend an ihre Grenzen. Hier setzt das Projekt ELOBEV an. Ziel des Vorhabens ist die Ausweitung der Einsatzgrenzen von hochbelasteten mechanischen Hilfsfügeelementen durch die Anwendung systematisch erforschter elektrolytischer Beschichtungssysteme und -prozesse.

Im Rahmen des Vorhabens EPSYLON soll ein neues, universell anwendbares elektrochemisches Verfahren zur praktikablen und nachhaltigen Herstellung von sogenannten Biphenolen, einer Gruppe chemischer Verbindungen, im technischen Maßstab erforscht und erprobt werden. Biphenole sind ein universelles Zwischenprodukt zur Herstellung vieler Chemikalien und können derzeit nur über sehr viele Zwischenstufen und mit sehr hohem Energieeinsatz hergestellt werden.

Biologika sind eine Klasse moderner Pharmawirkstoffe, die in sogenannten Bioreaktoren von lebenden Zellen hergestellt werden. In Nährmedien, die aus einer komplexen Zusammensetzung verschiedener Stoffe bestehen, produzieren diese Zellen beispielsweise Antikörper oder Insulin. Damit das zuverlässig gelingt, müssen die Eigenschaften der sogenannte Nährmedien wie z. B. der pH-Wert, der Sauerstoffgehalt oder die Konzentration bestimmter Ionen, kontinuierlich mit Hilfe von Sensoren überwacht werden. Häufig ist das Sensorsignal aber in solchen Flüssigkeiten nicht stabil und erfordert eine regelmäßige Nachjustierung, was aufwändig und kostenintensiv ist. Es besteht daher ein hoher Bedarf an Sensoren, die trocken lagerbar, sterilisierbar, biokompatibel, langzeitstabil und gleichzeitig kostengünstig herstellbar sind. Diese Sensoren müssen aus Materialien bestehen, die verhindern, dass die Bestandteile aus den Zellkulturmedien das Sensorsignal beeinflussen können.

Zahlreiche Bauteile lassen sich aus preiswerten und gut verfügbaren Rohstoffen herstellen, wenn sie durch eine geeignete metallische Beschichtung funktionalisiert werden. Diese gewährleistet den Schutz vor Korrosion und verbessert die Materialeigenschaften wie Abriebfestigkeit, Kratzfestigkeit, Härte oder die elektrische Leitfähigkeit. Für viele Anwendungen wären jedoch Beschichtungen ideal, die sich mittels heutiger Technologie nicht oder zumindest nicht mit vertretbaren Kosten und mit guter ökologischer Verträglichkeit herstellen lassen. Ein vielversprechender, neuer Ansatz in der Beschichtungstechnik (Galvanik) besteht in der Verwendung „ionischer Flüssigkeiten“. Hierbei handelt es sich um organische Salze, die bei niedrigen Temperaturen (unter 100 °C) flüssig sind. Ihre Vorteile liegen in ihrem niedrigen Dampfdruck, der oftmals niedrigen Toxizität und der Nichtbrennbarkeit. Derzeit fehlen aber noch viele Grundlagen, um die Abscheidung von technisch verwertbaren Schichten aus ionischen Flüssigkeiten zu ermöglichen....

Erneuerbare Energien tragen einen großen Teil zur Energiewende bei. Da diese Energien nicht immer dann anfallen, wenn wir sie am dringendsten brauchen, ist die Energiezwischenspeicherung von zentraler Bedeutung. Elektrische Energie lässt sich am besten in Form von chemischen Brennstoffen wie z.B. Wasserstoff speichern. Der Vorgang dieser „power to gas“ genannten Energieumwandlung ist physikalisch-chemisch die Elektrolyse von z.B. Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei Bedarf können die synthetisierten Brennstoffe später wieder dazu genutzt werden, elektrische Energie zu erzeugen. Die erforderlichen elektro-chemischen Prozesse die bei der Brennstofferzeugung ablaufen sind aber sehr komplex und noch nicht hinreichend aufgeklärt, um preiswerte und marktfähige Systeme entwickeln zu können.

Zinkbasiserte Funktionskomposite für die Zink-Elektrode

Für die Speicherung von regenerativer Energie sind Speichersysteme mit Kapazitäten im Bereich zwischen 5 und 1000 kWh erforderlich. Diese können in Haushalten und Wohnblocks eingesetzt werden, im Niederspannungsnetz oder an Solar- bzw. Windkraftwerken. Bisher werden in diesen Bereichen hauptsächlich Bleibatterien eingesetzt, die allerdings teuer, nicht skalierbar und unfelxibel in der Handhabung sind. Im Rahmen des Projektes PrintEnergy sollen die wichtigsten Aspekte einer preisgünstigen und wieder aufladbaren Zink/Luft-Batterie angegangen werden. Es sollen neue Materialien für Zink- und Sauerstoffelektroden erforscht und eine geeignete Formulierung der neuen Materialien für die Prozessierung mittels Drucktechnologie gefunden werden.

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