Das Projekt "Analyse und Ueberwachung von Radionukliden und toxischen Elementspuren in der Umwelt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, Institut für Strahlenschutz durchgeführt. Entwicklung, Verbesserung, Anpassung und Erprobung von Verfahren zur Bestimmung von Alphastrahlern und anderen Radionukliden in Luft, Wasser, Bewuchs, Boden und Nahrungsmitteln. Ueberwachung von Alpha-Strahlern, insbesondere Transuranen, in Abluft, Primaer- und Abwasser kerntechnischer Anlagen (mit BGA). Messung des natuerlichen Untergrundes einzelner Radionuklide in Luftstaub und Niederschlag (teilweise mit Usaec). Ausscheidungsanalyse von Radionukliden bei Stoffwechseluntersuchungen an Kleinkindern (mit Kinderklinik der Uni Muenchen). Ueberwachung von Elementspuren in Luftstaub durch Atomabsorptions-, Aktivierungs- und Elektroanalyse sowie Ir-Spektroskopie. Bestimmung von Nullpegel- und Intoxikationsgehalten an Pb und cd in Schlachtrindern zur Festlegung von Toleranzwerten (mit Institut fuer Nahrungsmittelkunde der Uni Muenchen) sowie in Zaehnen (mit Zahnklinik der Uni Muenchen). Ueberwachung von PO-210 in verschiedenen Nahrungsmitteln. Abgabe toxischer Elemente aus Gebrauchsgeschirr.
Das Projekt "ProHybrid - Produktionstechnik für hybride Festkörperbatterien mit Lithium-Metall-Anode" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Omron Electronics GmbH durchgeführt. Omron entwickelt im Rahmen des Teilvorhabens ein CT-System auf Basis bereits kommerziell erhältlicher Anlagen. Für einen Einsatz in der FKB-Produktion sind die Verbesserung der räumlichen Auflösung, die Reduktion von Messzeiten und die Befähigung von druck- und temperaturabhängigen elektrochemischen Analysen in der Messkammer notwendig. Dies bedingt erhebliche Modifikationen der Systemtechnik. Zudem sind softwareseitige Erweiterungen erforderlich.
Das Projekt "Identifizierung der Degradationsmechanismen in den AEL, PEMEL und HTEL Elektrolyseuren mit Hilfe von standardisierten chemischen und elektrochemischen Testprotokollen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Das Hauptziel der Arbeiten am DFI im Rahmen des Degrad-El3 Vorhabens besteht darin, die Degradationseffekte und -Mechanismen von Komponenten der AEL, PEMEL und HTEL Wasserelektrolyseure anhand von chemischen und elektrochemischen Testmethoden sowie Post-Test-Analysen zu bestimmen. Ein weiterer Schwerpunkt stellt die Erstellung von standardisierten Testprotokollen für AEL, PEMEL und HTEL Einzelzellen bzw. Short-Stacks in enger Abstimmung mit den Elektrolyseur-Herstellern bzw. weiteren H2Giga-Partnern dar. Nach Versuchsende werden relevante Komponenten der Elektrolyseure anhand von Post-Test-Analysen, wie u.a. XRD, REM/EDX/WDX, FTIR, Raman, XPS und ICPMS untersucht und typische Degradationserscheinungen wie Sintern, Agglomeration, Korrosion etc. näher identifiziert. Damit soll ein Katalog zur Materialdegradation für die verschiedenen Elektrolyseure und Materialien, die den Stand der Technik widerspiegeln, erarbeitet werden. Die Ergebnisse sollen für die genannten Elektrolyseur-Typen Lebensdauervorhersagen ermöglichen, die Entwicklung von optimierten Betriebsstrategien unterstützen und so den Technologieentwicklern wertvolle Erkenntnisse für das Scale-up und den Betrieb der jeweiligen Elektrolyseure liefern.
Das Projekt "Elektrochemische Herstellung von funktionalen und elektrisch leitfähigen Polymeren als freistehende Kathoden für Lithium Schwefel Batterien: Synthese, Operando Analyse und Simulation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Physikalisches Institut, Angewandte Theoretische Physik - Computergestützte Physik durchgeführt. In diesem Projekt wird eine elektrochemisch hergestellte Polymerkathode aus poly(4-(thiophen-3-yl) benzenethiol (PTBT) mit operando Methoden und theoretischen Modellierungen untersucht. Diese Kathode ist frei-stehend, elektrisch leitfähig, mechanisch flexibel und dient als Schwefelreservoir für Lithium/Schwefel Batterien. Im Besonderen, wird PTBT mittels Elektropolymerisation auf einen Nickelschaum aufgetragen. Dies ermöglicht eine Anwendung als hochporöse und binderfreie Kathode in Li-S Batterien. Schwefel kann mit dem Polymer PTBT durch inverse Vulkanisierung ein hochvernetztes Copolymer bilden P(S-PTBT), wobei der Schwefel chemisch an die Thiolgruppen von PTBT gebunden wird. Durch die Anwendung eines neuartigen, eigenentwickelten operando Setups, das mehr als drei verschiedene Messungen gleichzeitig erlaubt, während die Zelle geladen bzw. entladen wird, werden mechanistische Einsichten von wichtigen Reaktionsschritten ermöglicht z.B. der Prozess, der den Schwefel während der elektrochemischen Oxidation chemisch an die Polymerkette bindet. Für diese Untersuchungen werden UV/vis-, Raman- und Impedanzspektroskopie in Kombination mit entweder Röntgenbildgebung oder Kleinwinkelstreuung genutzt. Die Experimente werden in enger Zusammenarbeit mit intensiven Modellierungs- und Simulationsstudien auf elektronischer und molekularer Skala ausgewertet. Es werden sowohl die Stabilität als auch die elektronische/molekulare Struktur des an die Thiolgruppen des neutral und geladenen Polymers kovalent-gebundenen Schwefels untersucht. Hierzu werden moderne Austauschkorellationsfunktionale aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) benutzt. Um die Struktur-Performanz Beziehung der in diesem Projekt vorgeschlagenen Kathoden darzulegen, werden die Ergebnisse der operando Analyse herangezogen. Hierbei werden Resultate der UV/vis Spektroskopie direkt mit DFT-Berechnungen und DFT-optimierten, klassischen molekulardynamischen (MD) Simulationen verglichen. Kurzum, durch die Kombination von Synthese, operando Analyse und Simulation wird ein besseres mechanistisches Verständnis der Energiespeicherprozesse und Struktur-Eigenschafts-Beziehung in diesem System erwartet. Diese so gewonnenen Kenntnisse werden für eine kontinuierliche Verbesserung der Materialparameter verwendet. Somit wird eine Erhöhung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von Li-S Batterien der nächsten Generation erreicht.
Das Projekt "Leistungsoptimierte Lithium-lonen Batterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Lehrstuhl und Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe durchgeführt. Der schnelle Fortschritt der elektronischen Geräte erhöht die Nachfrage nach verbesserten Li-Ionen Batterien. Kommerziell erhältliche Li-Zellen nutzen meist Lithiumkobaltoxid für die positive Elektrode. Doch gerade dieses Material ist ein Hindernis für eine weitere Optimierung, insbesondere für eine Kostensenkung. Vor allem für größere Anwendungen wie Hybrid- oder Elektrofahrzeuge müssen alternative Materialen erforscht werden, die billiger, sicherer und umweltverträglicher sind. Daher wird im ISEA derzeit ein neues Forschungsprojekt ins Leben gerufen und die dafür benötigte Infrastruktur geschaffen. Die Forschung wird sich auf die Untersuchung geeigneter Übergangsmetalloxide und Polyanionen konzentrieren, die besonders gut zur Einlagerung von Li-Ionen geeignet sind. Es werden neue Herstellungsverfahren unter Verwendung wässriger Precurser-Substanzen untersucht, die Verbindungen mit überlegenen Eigenschaften erzeugen und außerdem leicht an eine Massenproduktion angepasst werden können. Ziel der Arbeiten ist, preisgünstiges Elektrodenmaterial zu entwickeln, das eine spezifische Energie von über 200 Wh/kg und eine Leistungsdichte von 400 W/kg aufweist. Außerdem werden Arbeiten im Bereich der physikalisch-chemischen Charakterisierung der neuen Materialien stattfinden sowie elektrochemische Analysen der gesamten Zellen- und Batteriesysteme durchgeführt. Das elektrodynamische Verhalten der neuen Zellen wird u. a. mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie analysiert, um präzise und zuverlässige Algorithmen für ein späteres Batteriemonitoring im realen Betrieb zu finden.
Das Projekt "Forschergruppe FOR 2397: Multiskalen-Analyse komplexer Dreiphasensysteme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Clausthal, Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik durchgeführt. Gasdiffusionselektroden (GDE) sind komplexe Funktionsmaterialien, die eine Schlüsselkomponente in verschiedenen technisch bedeutsamen elektrochemischen Prozessen wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien sind. Im Hinblick auf die Herausforderungen der Energiewende kommt der Entwicklung und Herstellung dieser Funktionsmaterialien eine herausragende Bedeutung zu. In der beantragten Forschergruppe sollen beispielhaft GDE für die Sauerstoffreduktion an Silber- Katalysatoren in alkalischem Elektrolyt untersucht werden. Zu den vielfältigen Anforderungen an derartige Elektroden gehören eine hohe elektrokatalytische Aktivität, ein geringer elektronischer Widerstand sowie eine hohe chemische und mechanische Stabilität. Der Herstellprozess einer GDE muss daher so gestaltet werden, dass die genannten Eigenschaften im Produkt in optimaler Kombination erreicht werden. Dabei kommt neben der Auswahl des Elektrokatalysators der Gestaltung der Morphologie des Porensystems im Hinblick auf eine optimale Zugänglichkeit für Gase (hydrophob) und Flüssigkeiten (hydrophil) eine besondere Bedeutung zu, da die Ausdehnung der Dreiphasengrenze, an der die elektrochemische Reaktion stattfindet, maximiert werden muss. Eine detaillierte Beschreibung der Vorgänge in GDE war bisher nur eingeschränkt möglich. Dies liegt an der Komplexität und Vielzahl der ablaufenden Vorgänge auf unterschiedlichsten Skalen und insbesondere an bisher fehlenden Möglichkeiten zur ortsaufgelösten in situ und in operando Beobachtung der Prozesse sowie an der fehlenden physikalisch-chemisch fundierten Modellierung auf verschiedenen Skalen. Für ein umfassendes Verständnis und damit eine wissensbasierte, gezielte Optimierung von Herstellung und Funktionsweise von GDE ist eine strukturierte Zusammenarbeit von unterschiedlichen Fachrichtungen essentiell. Die geplante Forschergruppe bringt mit fundierten Kompetenzen im Bereich der Elektrodenpräparation (Turek, Roth), der Tomographie (Manke), der mesoskaligen Modellierung von Phasenverteilung und Transport (Nieken), der Mikroelektrochemie (Schuhmann) sowie der elektrochemischen Analyse und Modellierung von Mikrokinetik (Vidakovic- Koch) und Makrokinetik (Turek, Krewer) erstmals alle erforderlichen Methoden zusammen, um die komplexe Interaktion von Reaktions- und Transportprozessen in Gasdiffusionselektroden und ihren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Elektroden zu verstehen und quantitativ zu beschreiben. Durch diese Kombination experimenteller und modelltheoretischer Methoden soll das Verhalten und die Herstellung von Gasdiffusionselektroden so umfassend charakterisiert werden, dass auf dieser Basis in der zweiten Projektphase GDE für unterschiedliche technisch relevante Einsatzbereiche mit deutlich gesteigerter spezifischer Leistung hergestellt und erprobt werden können.
Das Projekt "Teilprojekt KIT: Physikochemische Lebensdauermodelle auf Basis elektrochemischer und (mikro-) struktureller Analysen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien durchgeführt. Ziel des Projekts 'WirLebenSOFC' ist es, Degradationsmechanismen in Festoxidbrennstoffzellen (SOFC)-Systemen zur Rückverstromung von grünem Wasserstoff zu untersuchen, Modelle für die Lebensdauervorhersage zu entwickeln und Gegenmaßnahmen abzuleiten. Zur Erreichung dieses Ziels werden zum einen Algorithmen des 'maschinellen Lernens' eingesetzt, um Korrelationen zwischen Betriebsparametern und deren Einflussstärke systematisch zu analysieren und zum anderen experimentell basierte, physikochemische Modelle angewendet, welche es ermöglichen ein vertieftes Verständnis von Degradationsprozesse in den Elektroden und Komponenten der Brennstoffzellen aufzudecken. Am KIT stehen experimentell basierte Lebensdauermodelle im Fokus, mit denen die zeitliche Veränderung in der Zelle ablaufender physikochemischer Prozesse in Abhängigkeit von Zellaufbau (Materialien, Mikrostrukturen, Schichtdicken) und Betriebsbedingungen (Temperaturen, Gase, el. Belastung) prädiziert werden kann. Zur Modellentwicklung und Parametrierung sind umfangreiche elektrochemische Messungen (Langzeitzelltests) und Pre- & Post-Test Analysen (hochauflösende Elektronenmikroskopie, 3D-Rekonstruktion poröser Elektroden) erforderlich. Die am KIT in TP3 erzielten experimentellen und simulativen Ergebnisse werden mit TP1 und 2 abgeglichen und fließen in die Entwicklung hybrider Modelle in TP4 ein.
Das Projekt "MiCha - Mikrostrukturcharakterisierung von Elektroden und Wirkzusammenhänge mit Elektrodenperformance und -alterung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien durchgeführt. Energiedichte, Stromratenfähigkeit und Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien werden maßgeblich durch die Mikrostruktur der Materialien und Elektroden bestimmt. Neben makroskopischen Parametern wie Schichtdicke und Massebeladung sind mikroskopische Eigenschaften wie Aktivmaterialpartikelgröße und -form, Verteilung und Struktur von Leitruß und Binder, Porosität, Porenverteilung und Tortuosität entscheidend für die Zellperformance. Um wettbewerbsfähige Zellen in Deutschland produzieren zu können, sind fundierte Kenntnisse der Zusammenhänge dieser Eingangsparameter mit den geforderten Zelleigenschaften (Zielgrößen) unabdingbar. Dies erfordert passgenaue Analysemethoden mit effizienten, standardisierten Vorgehensweisen, die eine umfängliche Analyse der relevanten Parameter reproduzierbar auch im industriellen Umfeld ermöglichen. Neuheitsgrad und Attraktivität des in MiCha vorgeschlagenen Lösungsansatzes bestehen im Zusammenführen sich ergänzender, skalenübergreifender Analyseverfahren, die gezielt hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Effizienz (Präparation, Messung und Auswertung) weiterentwickelt und zu robusten Charakterisierungs-Workflows (inkl. Probenahme, Präparation und Auswertung) kombiniert werden. Diese werden Industrie- und Forschungspartnern im Dachkonzept 'Forschungsfabrik Batterie' zur Verfügung gestellt, um so eine schnellere Zellentwicklung zu fördern. Am KIT stehen tomographische Verfahren (FIB, My CT) im Fokus, die in MiCha hinsichtlich Reproduzierbarkeit, Robustheit und effizienter Auswertung optimiert werden. Neue Ansätze wie die operando- My CT zur Auflösung struktureller Veränderungen im Lade-/Entladevorgang werden entwickelt und zur Analyse elektrochemisch-mikrostruktureller Wechselwirkungen eingesetzt. Der Abgleich zwischen dreidimensional auflösenden aber zeit- und kostenaufwendigen Tomographieverfahren und konventioneller Licht- und Lasermikroskopie erfolgt im Hinblick auf den Einsatz der Verfahren in Qualitätssicherung und Prozesskontrolle.
Das Projekt "PowerMem - Höhere Lebensdauer und Umwandlungseffizienz durch Hochleistungsmembranen für die saure Wasserelektrolyse mit Festelektrolytmembran" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Energiesysteme, Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme durchgeführt. Ziel des Teilpakets ist die Entwicklung der Membrantechnologien für PEM Wasserelektrolyseure signifikant voran zu bringen. Die Entwicklung und Synthetisierung der Membranen am HI ERN wird experimentell und modelltheoretisch begleitet. Teil der Analyse sind eine elektrochemische Charakterisierung der Zelle mit Fokus auf die Membran sowie eine tiefgehende Modellierung unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Kompositmaterialien und zum Einsatz kommenden Zwischenschichten. Die Kombination aus experimenteller Analyse und Modellierung kommt in PowerMem zur Bewertung der neuen Materialien zum Einsatz. Neben der Bewertung der auf Basis der Bauteileffizienz wird auch die Alterung des Materials bewertet. Übergeordnetes Ziel des Teilprojekts ist die Erhöhung des Wissensstandes bei den Alterungsphänomenen, für Standartmaterial und für die neuen Kompositmaterialien. Dazu sollen bestimmte integral messbare Alterungseffekte gezielt Alterungsphänomenen zugeordnet werden. Zudem soll versucht werden diese Phänomene gezielt zu analysieren und deren mechanistische Ursache zu identifizieren. Eine wichtige Rolle spielt in beiden Fällen die systematische Variation der Betriebsparameter, die teils als Stressoren für die Membran wirken und zu Alterungseffekten führen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Auflichtmikroskopie- und Spektroskopiesystem mit integrierter Fluoreszenzeinheit zur parallelen mikrostrukturellen und elektrochemischen Analyse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von PreciPoint GmbH durchgeführt. Zur Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien werden hochkapazitive Elektroden mit hoher Schichtdicke entwickelt. Derartige Elektroden zeigen ein schlechtes Schnellladeverhalten und reduzierte Zyklenstabilität. Das Projekt möchte einen Beitrag zur Auflösung dieses Zielkonflikts leisten. Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Anode, da diese als limitierend betrachtet wird. Hierzu werden drei Ansätze zur Strukturierung und Oberflächenmodifikation erforscht: - Gradierung - Laserstrukturierung - Mikroprägen Die Ansätze werden im Labormaßstab erforscht und bewertet. Parallel dazu werden Algorithmen entwickelt, die es erlauben vorteilhafte Elektrodenstrukturen vorauszusagen und die Hauptalterungsmechanismen SEI-Bildung und Lithium-Plating gekoppelt zu beschreiben. Daneben wird ein lichtmikroskopisches Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, den Lade- und Entladevorgang In-situ zu verfolgen und Alterungsmodelle zu validieren.
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| Förderprogramm | 36 |
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