Musterbeispiel für industriegetragene Forschung

Am 1. Februar 2020 startete das gemeinsam von der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik (DGO) und dem fem beantragte Forschungsprojekt „Prozessentwicklung für Aluminium als Werkstoff für Leiter und Steckverbinder in der Automobilelektronik unter Einsatz angepasster Zinnlegierungsschichten“. In Kooperation mit einem Industriekonsortium, dem mittlerweile 16 klein- und mittelständische Unternehmen angehören, wird das Ziel verfolgt, eine ideale Prozesskette für die galvanische Zinnlegierungsabscheidung auf Aluminiumsubstraten im Bereich der Automobilelektronik zu entwickeln. Der Schwerpunkt liegt auf Verfahrensanpassungen, durch die optimale Prozesszeiten bei großvolumigen, kontinuierlichen Abläufen (z.B. Bandgalvanik) erreicht werden sollen.  Motiviert ist das Vorhaben durch die kontinuierliche Zunahme elektrischer und elektronischer Komponenten in Fahrzeugen, speziell in der Elektromobilität; aufgrund des Gewichts- und Kostenvorteils im Vergleich zu Kupfer bietet sich der Einsatz von Aluminiumwerkstoffen an.

Nach Bewilligung des Projektantrags Ende 2019 ist nun der Startschuss für die Projektarbeiten gefallen: „Das Projekt ist ein Musterbeispiel für industriegetragene Forschung“, unterstreicht Dr. Andreas Zielonka, Leiter des fem und Vizepräsident der AiF, die Herangehensweise und die bisherige Umsetzung. „Industrierelevante Themen aus der Branche werden aufgegriffen, die richtigen Partner an einen Tisch geholt und konkrete Projekte erarbeitet. Die sehr gute Resonanz aus der Industrie ist ein Beleg dafür“, so Zielonka weiter.

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Im Bereich der Energiespeicher gibt es eine Vielzahl verschiedener Anwendungen, die hohe Erwartungen an mobile Energiespeicher stellen. Die Speicher müssen eine große spezifische Energiedichte aufweisen und diese über viele Lade- und Entladezyklen hinweg konstant speichern bzw. abgeben. Neben Sicherheitsaspekten spielen dabei auch die Kosten und die gute Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit der Rohstoffe eine Rolle. Viele dieser Anforderungen können durch das Lithium-Schwefel-System erfüllt werden, das als mögliches Nachfolgesystem der Lithium-Ionen-Batterie gehandelt wird.

Das neue Verbundprojekt hat die Entwicklung einer Lithium-Schwefel-Zelle zum Ziel und stützt sich auf eine Reihe von Vorgängerprojekten. Die drei Hauptkomponenten Lithium-Anode, Schwefel-Kathode und Elektrolyt/Separator, die zu einem Gesamtzellkonzept vereint werden, sind dabei innovative Weiterentwicklungen, aufbauend auf dem Know-How der Forschungspartner fem, Hochschule Aalen und VARTA Microbattery. Die Anode besteht aus einer elektrochemisch abgeschieden Lithium-Schicht, die mit einer Polymerschicht geschützt wird. Als Separator/Elektrolyt-Kombination dient ein Separator, der mit einem Gel-Elektrolyten modifiziert ist. Die Kathode schließlich besteht aus einer Nickel-Matrix mit schwefelbeladenen Trägerpartikeln. Die einzelnen Zellkomponenten werden von VARTA Microbattery zu einer Gesamtzelle zusammengefügt, um die Funktionsfähigkeit der Zellkomponenten im Zusammenspiel zu demonstrieren.

Für die Anode wird die dendritenfreie elektrochemische Abscheidung von Lithium (entwickelt im AiF-Projekt Sichere LiS-3D-Zelle, IGF 19134N) am fem weiter optimiert. Besonderer Vorteil im Vergleich zum Einsatz von Lithiumfolie ist hier die Verringerung des Lithiumüberschusses in der Zelle, was die Zellsicherheit erhöht. Zusätzlich erleichtert die Polymerschutzschicht die Handhabung der Anode und schützt die Lithiumschicht vor unkontrollierten Nebenreaktionen. Der Einsatz einer mikrostrukturierten Metallfolie als Substrat für die Abscheidung und damit als Stromableiter in der Batterie erhöht die aktive Oberfläche der Elektrode und führt zu einer optimalen Ausnutzung des aktiven Lithiums und damit zu einer hohen spezifischen Energie der Batterie. Außerdem verbessert sie die Haftung der Schichten und verringert die Kontaktwiderstände.

Die Kombination aus Gel-Elektrolyt und Separator, die gemeinsam vom fem und der Hochschule Aalen entwickelt wird, ist flexibel genug, um sich der Oberfläche der beiden Elektroden anzupassen und damit einen optimalen Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode zu gewährleisten. Zudem unterbindet dieser Quasi-Festelektrolyt die unerwünschte Wanderung von Polysulfiden zur Anode – eines der Hauptprobleme der Lithium-Schwefel-Batterie. Auf diese Weise findet die für die Zellreaktion nötige Polysulfidbildung direkt an der Kathode statt, ohne dass die Polysulfide die Lithium-Anode passivieren. Dies verbessert die Zyklenfestigkeit und Lebensdauer der Zelle. Grundlage der Entwicklung der Schwefel-Kathode ist der von der Hochschule Aalen patentierte Kompositgalvanoformungsprozess, eine Kombination aus Galvanoformung und Dispersionsabscheidung (von mit Schwefel beladenen Trägerpartikeln) in einem einstufigen Herstellungsprozess. Auf diese Weise kann eine Elektrodenfolie hergestellt werden, die ohne nichtleitende Binder oder Leitadditive eine optimale elektrische und mechanische Anbindung des Aktivmaterials Schwefel an die Nickelmatrix gewährleistet. Zusätzlich verbessert das Katalysatormaterial auf den Trägerpartikeln (entwickelt im BMWi-Projekt 03ET6084B) die Kathodenkinetik. Mit den genannten Maßnahmen des Verbundprojektes soll die wirtschaftliche Umsetzung der Lithium-Schwefel-Batterie weiter vorangetrieben werden.

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In Kürze ist es soweit: Das Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallkunde wird die erste Ausgabe seines Newsletters „Update“ versenden. Wir wollen darin über neue Projekte, Forschungsergebnisse, Methoden, Veranstaltungen und offene Stellen informieren.
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Ihr wolltet immer schon mal wissen, woran die Wissenschaftlerinnen, Ingenieure und Laboranten am fem, dem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie in Schwäbisch Gmünd jeden Tag forschen und arbeiten?

Am 26. März 2020 habt Ihr von 10 bis 13 Uhr Gelegenheit dazu: Werft einen Blick in die Laboratorien, lernt aktuelle Projekte und Forschungsschwerpunkte rund um den Werkstoff Metall kennen, lasst euch von der Ausstattung auf dem neuesten Stand der Technik begeistern und diskutiert Eure Fragen zu Ausbildung und Arbeitsalltag im persönlichen Gespräch mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts.

Es finden drei ca. einstündige Führungen durch das Institut mit jeweils 8 Teilnehmerinnen statt, und zwar um 10, 11 und 12 Uhr. Bitte gebt bei der Anmeldung an, an welcher Führung Ihr teilnehmen möchtet.

Wir freuen uns auf Euch!

Hier könnt Ihr euch anmelden: https://www.girls-day.de – klickt auf den Radar und sucht nach fem, dann findet Ihr unser Angebot!

Das fem wünscht allen Mitgliedern, Auftraggebern, Forschungspartnern und Förderern ein frohes Weihnachtsfest und ein glückliches, erfolgreiches neues Jahr 2020.

Das Institut ist vom 21. Dezember bis zum 6. Januar geschlossen. Am 7. Januar 2020 sind wir wieder für Sie da – und freuen uns auf viele spannende Aufträge, Kooperationen und Forschungsprojekte.

"Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg fördert das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie in Schwäbisch Gmünd (FEM) mit 500.000 Euro für den Ausbau des Arbeitsgebietes Additive Fertigung. Dies gab Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut heute (9. Dezember) in Stuttgart bekannt. '3D-Druck und Digitalisierung sind wichtige Schlüsseltechnologien für die Entwicklung des Standorts Baden-Württemberg im internationalen Wettbewerb', sagte die Ministerin."

Die vollständige Pressemitteilung des Ministeriums lesen Sie hier.

Derzeit hat das fem drei neue Stellen zu vergeben – informieren Sie sich hier und bewerben Sie sich noch heute!

Mit smarten Alublechen gegen Stickoxide
Forschung- und Industriepartner entwickeln wirksame Eloxalschichten für Fassadenelemente

Stickoxide (NOx), so das Bundesumweltamt, tragen zur Feinstaubbelastung bei, schädigen die Umwelt, sind mitverantwortlich für die sommerliche Ozonbildung und insbesondere für Asthmatiker ein Gesundheitsrisiko. In Ballungsgebieten und Innenstädten ist der Straßenverkehr neben Verbrennungsanlagen für Kohle, Öl, Gas und Holz die bedeutendste Quelle von NOx; das Verbot für ältere Dieselfahrzeuge in mehreren deutschen Großstädten seit Juni 2018 ist eine Konsequenz aus der Überschreitung der europaweit gültigen Grenzwerte.

Um die Belastung der Luft durch Stickstoffoxide zu reduzieren, sind vielfältige Maßnahmen und ein ausgewogenes Gesamtkonzept erforderlich. An einem Baustein in diesem Konzept arbeitet das fem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie gemeinsam mit dem DECHEMA-Forschungsinstitut (Frankfurt/Main) und dem Institut für Technische Chemie an der Leibniz Universität Hannover im Rahmen eines neuen Forschungsprojekts, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. Ziel ist die Entwicklung einer funktionalisierten Eloxaloberfläche für Aluminiumbleche, die als Fassadenverkleidung an Gebäuden zum Einsatz kommen. Funktionalisiert heißt: in die poröse Struktur anodisierter Aluoberflächen (Eloxalschicht) sollen photokatalytische Nanopartikel eingelagert werden, die, aktiviert durch das UV-Licht der Sonnenstrahlung, einen nennenswerten Beitrag zum Abbau von NOx in städtischen Räumen leisten können. Auf diese Weise könnte der hervorragende Korrosionsschutz von Eloxalschichten mit einer vor allem für urbane Räume überaus wünschenswerten Wirksamkeit kombiniert werden.

Die rund zwanzig beteiligten Partner aus der Industrie haben ein großes Interesse daran, den bisherigen Wettbewerbsnachteil von Eloxalschichten – ihre fehlende Funktionalität – auszugleichen und mit den stickoxidreduzierenden Fassadenblechen neue Märkte zu erschließen: „Unseres Erachtens liegt das größte Entwicklungspotential von Metallfassaden in der Oberflächentechnik. Die Fassadenoberfläche der Zukunft sollte zunehmend Funktionen übernehmen, die den Klima- und Umweltveränderungen Rechnung tragen“, betont Hans Dieter Wahl, Geschäftsführer der HD Wahl GmbH. Da diese Aluminiumoberflächen besonders leicht zu reinigen sind (easy-to-clean) und eine antibakterielle Wirkung aufweisen, sind für sie auch weitere Einsatzgebiete denkbar, z.B. Handläufe, Haltegriffe und -stangen in Gebäuden und Verkehrsmitteln, in Sanitärräumen und Krankenhäusern.

Beim Auftakttreffen der Projektpartner am fem in Schwäbisch Gmünd sind die Herausforderungen bei der Entwicklung der Schichten und die zwei unterschiedlichen Verfahren zur Einlagerung der Partikel rege diskutiert worden: „Entscheidend für den Erfolg ist zum einen eine langzeitbeständige Einlagerung der photokatalytisch wirksamen Nanopartikel in die Eloxalschicht, zum anderen eine ausreichend gute Porenfüllung“, so Christof Langer, Abteilungsleiter am fem.

Anfang November war das fem Forschungsinstitut erstmals Gastgeber für den Regionalen Arbeitskreis „Aalener/Stuttgarter Metallographietreffen“, der dem Fachausschuss Materialographie der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) angehört.

32 Teilnehmer, die in der Industrie und an verschiedenen Hochschulen und Instituten auf dem Gebiet der Metallographie bzw. Werkstoffprüfung tätig sind, folgten der Einladung nach Schwäbisch Gmünd. Felix Bauer vom fem stellte in seinem Fachvortrag über „Metallographische Aspekte bei der Legierungsentwicklung im System Kupfer-Nickel-Aluminium“ Forschungsergebnisse der Neuentwicklung von hochfesten und hochleitfähigen Kupferlegierungen für die Elektro- und Automobilindustrie vor. Diese sollen, so das Ziel der Wissenschaftler, jene bisher unübertroffenen Kupferlegierungen ersetzen, die das umwelt- und gesundheitsschädliche Element Beryllium enthalten.

Die Möglichkeit zur Diskussion und zum fachlichen, firmenübergreifenden Erfahrungsaustausch wurde von den Teilnehmern aus dem In- und Ausland ausgiebig genutzt. Bei einem abschließenden Rundgang durchs Institut zeigten sich die Gäste beeindruckt von der Vielzahl an Analyse- und Prüfmethoden, die am fem für die Forschungsarbeit und Industriedienstleistungen zur Verfügung stehen.

Seit dem 1. Oktober 2019 liegt die Leitung der Abteilung Elektrochemie, Galvanotechnik und Korrosion am fem in den Händen von zwei Wissenschaftlerinnen: Neben der bisherigen Abteilungsleiterin Dr. Renate Freudenberger hat nun auch Heidi Willing, die bislang als wissenschaftliche Mitarbeiterin Forschungsprojekte in der Abteilung durchführte, Leitungsaufgaben und Verantwortung übernommen.

Heidi Willing ist bereits seit 1995 am fem. Nach ihrem Abschluss in Allgemeiner Chemie an der Fachhochschule für Technik und Wirtschaft in Reutlingen kam sie ans Forschungsinstitut und absolvierte von 1998 bis 2001 neben ihrer Forschungsarbeit in Schwäbisch Gmünd ein Diplomstudium für Werkstoffwissenschaften an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg.

Die Erweiterung der Abteilungsleitung wurde erforderlich, da in den letzten Jahren neben den klassischen Bereichen der Elektrochemie, Galvanotechnik und Korrosion neue Forschungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Energietechnik etabliert wurden – begleitet von einem deutlichen Anstieg der Mitarbeiterzahl.

Heidi Willing freut sich über ihre neuen Aufgaben: "Im Bereich der Forschung ist mir neben der Erweiterung der Fachkompetenzen auch der Auf- und Ausbau von Netzwerken mit Partnern aus Industrie und Forschung ein wichtiges Anliegen".