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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Werkstoffe für die Festoxid-Brennstoffzelle und Batterien

Im Energiemix der Zukunft spielen hocheffiziente, dezentrale Energiewandler, wie z.B. Brennstoffzellen, und Speicher für elektrische Energie eine entscheidende Rolle.

Festoxidbrennstoffzelle

Die Forschungsarbeiten des IEK-1 im Bereich der Festoxidbrennstoffzelle sind in die gesamte SOFC-Forschung des Forschungszentrums Jülich integriert und beschäftigen sich mit der Synthese, Aufbereitung und Verarbeitung von Werkstoffen zu funktionalen Strukturen, Schichten und Bauteilen.

Hierbei stehen dem IEK-1 eine Vielzahl an verschiedenen Technologien, beginnend mit der Herstellung nanometerdünner Schichten bis zu volumigen Bauteilen mit Abmessungen im mehrere zehn Zentimeter-Bereich, zur Verfügung.

Die Werkstoffforschung beginnt mit der Synthese neuer, alternativer oder in ihrer chemischen Zusammensetzung variierter Materialien für Anoden, Kathoden, den Elektrolyten, Kontakt-, Isolations- und Schutzschichten, über die Veränderung kommerziell verfügbarer Werkstoffe, die Verarbeitung der Materialien mittels Transportmitteln zu Pasten, Schlickern, Suspensionen sowie förder- oder pressbaren Pulvern bis zur Herstellung von Zellen im Manufakturmaßstab.

Im Vordergrund der Forschung und Entwicklung stehen neben den jeweils optimalen Funktionseigenschaften (physikalisch, elektrochemisch, mechanisch) immer auch die Prozessierbarkeit der Werkstoffe zu Bauteilen mit industrietauglichen Fertigungsverfahren.

Hierzu stehen eine Vielzahl an keramiktechnologischen Verfahren wie Foliengießen, Siebdruck, Schlickergießen, Pressen (inkl. Isostatischem, Heiß-Isostatischem (HIP) und Kalt-Isostatischem Pressen (CIP)), Schleuder- und Tauchbeschichtung sowie Rollbeschichtung zur Verfügung.

Ergänzt wird die Anlagentechnik einerseits durch Dünnschichtverfahren wie Sputtern. Elektronenstrahlverdampfen und Abscheidung aus der chemischen Gasphase und andererseits durch thermische Spritzverfahren wie atmosphärisches, Niederdruck-, Dünnfilm-Niederdruck- und Suspensions-Plasmaspritzen sowie Hochgeschwindigkeits-Flammspitzen.

Zusätzlich zu den Pulversynthese- und Verarbeitungsanlagen stehen spezielle Charakterisierungsmethoden wie Partikelgrößen-, Poren- und Oberflächenanalyse, Viskosimetrie, Licht-, konfokale und Rasterelektronenmikroskopie, Laser-Topographie und Anlagen zur Messung der Gasdichtigkeit (Luft, He) zur Verfügung. Die mechanische Charakterisierung der Proben erfolgt im IEK-2, die elektrochemische Charakterisierung der Einzelzellen im IEK-3.

Bruchfläche einer typischen SOFC des IEK-1Typ I Zelle des IEK-1 (Schichtfolge von unten nach oben: Substrat, Anode, Elektrolyt, Kathode, Stromsammler)

In den Abbildungen sind die Bruchfläche einer typischen anodengestützten SOFC des IEK-1 mit ihren diversen Funktionsschichten und speziell adaptierten Mikrostrukturen, diverse herstellbare Zellgeometrien und die Beschichtung der metallischen Interkonnektoren mit Schutz- oder Kontaktschichten, die ebenfalls im IEK-1 durchgeführt wird, dargestellt.

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Einzelzellen in diversen Formaten des IEK-1Einzelzellen in unterschiedlichen Formaten und Verarbeitungsschrittten (im Hintergrund komplette Zellen, im Vordergrund von links nach rechts: vorgesintertes Substrat, Substrat mit Anoden- und Elektrolytschicht im Grünzustand, endgesinterte Halbzelle)

Anlage zur Nasspulverspritzen des IEK-1Anlage zur Beschichtung eines metallischen Interkonnektors mit Kontakt- und Schutzschicht über Nasspulverspritzen

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Festkörperbatterien

In den vergangenen Jahren wurden die Arbeiten zu Lithium-Batterien begonnen, wobei die Aktivitäten zu diesem Batterietyp direkt auf die zwanzigjährige Expertise der Hochtemperatur-Brennstoffzellenforschung zurückgreifen können. Ziel der Entwicklung sind neue, bessere Batterietypen für stationäre und mobile Anwendungen mit robuster Langzeitstabilität bei  stochastischen Lade- und Entladevorgängen.

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