Das Projekt "CatSE2 - Grenzflächen und Interphasen in wiederaufladbaren Batterien auf Li-Basis - Kathode/Festelektrolyt - Phase 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut durchgeführt. Das Gesamtvorhaben hat ausgehend von der ersten Phase von CATSE, in der modellhafte innere Grenzflächen in LLZO-Keramik und unmodifizierte Grenzflächen der Art LLZO/Kathodenmaterial im Mittepunkt standen, nun das Ziel, näher an realistische Grenzflächen in anwendungsnahen Situationen zu kommen. SE/Kathoden-Grenzflächen stehen weiter im Mittelpunkt, allerdings mit einem stärkeren Fokus auf die Verbesserung (oder Vermeidung) der notorisch kritischen Oxid/Oxid-Grenzflächen. Die Rolle von Zwischenphasen (interlayers) für die Stabilität und Grenzflächenkinetik soll gezielt untersucht werden. Hierbei spielt naturgemäß die Stabilität der Zwischenschichten selbst eine wichtige Rolle. Hochentwickelte Charakterisierungs- und Modellierungstechniken sollen zum Einsatz kommen, um sowohl auf der Grenzflächenebene als auch auf der Zellebene Ergebnisse zu erzielen. Strukturelle und chemische Informationen über Grenzflächen und Komponenten von Zellen sollen u.a. mit Hilfe von FIB-Tomographie, µ-Computertomographie (µCT), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Kelvinsonden-Mikroskopie (KPFM) und Neutronen- und Ionenstrahlanalytik erhalten werden. Untersuchungen auf der Vollzellebene sollen dazu dienen, das Arbeitsprogramm des Konsortiums näher an industrielle Bedingungen zu bringen und den Transfer der Ergebnisse zu gewährleisten. Das Teilvorhaben der JLU hat innerhalb dieses Rahmens die folgenden Teilziele: 1. Die möglichst weitgehende Aufklärung der Mikrostruktur und chemischen Zusammensetzung von (unmodifizierten) Grenzflächenbereichen in KAM/SE-Kompositen, vorzugsweise auf Oxid-Basis, gemeinsam mit den Partnereinrichtungen (komplementäre analytische Methoden). 2. Entwicklung von stabilisierenden Zwischenschichten und Aufklärung der resultierenden Mikro-struktur und lokalen chemischen Zusammensetzung, aufbauend auf 1. 3. Aufklärung der 3D-Mikrostruktur realer Komposite und Bereitstellung der entsprechenden Daten für die theoretische Modellierung.
Das Projekt "Teilprojekt der Ruhr-Universität Bochum: Mikroelektrochemische Untersuchung von Anoden- und Kathodenmaterialien aus industriellen Wasserstoffelektrolyseuren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Analytische Chemie und Zentrum für Elektrochemie durchgeführt. Bei längerer Laufzeit (größer als 1000 h) von Elektrolyseanlagen wurde beim Projektpartner Siemens Energy (SE) festgestellt, dass Degradationsprozesse an der Anode stattfinden. Weiterhin wurde beobachtet, dass gravierende Unterschiede in der Lebensdauer von Katalysatormaterialien stark abhängig von der Bezugsquelle ist. Durch mikroelektrochemische Untersuchung von einzelnen katalytisch aktiven Nanopartikeln an Nanoelektroden gekoppelt mit Transmissionselektronenmikroskopie lassen sich Faktoren wie Größe, Form, Kristallinität und Oxidationsstufe eindeutig bestimmen. Die in Bochum entwickelten Verfahren ermöglichen die Identifikation von Abhängigkeiten elektrochemischer Operation und den oben genannten Faktoren. Elektrochemische Reaktionen haben einen gravierenden Einfluss auf die lokale Reaktionsumgebung. Dabei wird vor allem beobachtet, dass eine lokale Erhöhung des pH-Werts und der Ionenstärke stattfindet. Diese Faktoren beeinflussen nicht nur die elektrochemische Leistung der Halbzelle, vielmehr entsteht dadurch chemischer Stress, was die die Lebensdauer der Elektrodenmaterialien mindern kann. Durch die Benutzung von komplexen mehrschichtigen Elektrodensystemen wird eine heterogene Verteilung der Effekte innerhalb solcher Elektroden erwartet. Der Einfluss von elektrochemischen Reaktionen an leistungsstarken Gasdiffusionselektroden wurde in Bochum bereits detailliert untersucht. Dabei wurde ein Konzept entwickelt, welches dynamisch Änderungen der Reaktionsumgebung an der Elektrodenoberfläche darstellen kann. Dieses Konzept soll erweitert werden, um solche Prozesse innerhalb komplexer, mehrschichtiger Elektroden zu untersuchen. Dabei soll die Elektrolytzusammensetzung in Abhängigkeit der Eindringtiefe und als Funktion der Variation der oben genannten Prozessbedingungen bestimmt werden. Insbesondere soll die Kernfrage, ob die elektrochemische Reaktion die Stabilität der Bipolarplatten negativ beeinflussen könnte, adressiert werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Nanoskopische Charakterisierungen und Prozesssimulationen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Dresden-Roßendorf e.V., Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung durchgeführt. Das Ziel des Verbundvorhabens 'RoSiLIB' ist die Entwicklung eines neuartige Anodenmaterials für Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Dieses ermöglicht eine höhere Speicherkapazität der LIBs bei gleichem Volumen oder Gewicht, eine Hauptforderung der Elektromobilität. Der Ersatz des aktuellen Anodenmaterials Grafit durch Silizium bringt diesen Fortschritt, allerdings pulverisiert Si nach wenigen Ladezyklen, die LIBs haben keine akzeptable Lebensdauer. Nur nanostrukturierte Si-Anoden führen zu stabilen LIBs. 'Rosi' entwickelt ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von nanoporösen Si-Mikroteilchen mit weiterer Verbesserung durch nanoskalige Teilchenbeschichtung mit Kohlenstoff. Die nanotechnologischen F&E-Aufgaben in Rosi erfordern eine fortschrittliche nanoskopische Analytik die am HZDR verfügbar ist. Dazu gehören die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Untersuchung der Nanoporosität und die Charakterisierung nanoskaliger Schichten auf Mikroteilchen. Eine bildgebende Elementanalyse (EDX) wird eingesetzt, um den Auslaugungsprozess der Metallmatrix aus dem Si-Schwamm zu kontrollieren. Neueste Methoden wie TEM-Tomografie und Helium-Ionen-Mikroskopie, die am HZDR im Rahmen eines EU-Projektes weiterentwickelt wird, kommen zur Anwendung. Ein zweiter Beitrag des HZDR zum Verbundvorhaben ist die Nutzung seiner materialwissenschaftlichen Kompetenz, insbesondere zu Prozessmodellierungen und Computersimulationen. Zur Synthese von Si-Nanoschwammschichten hat das HZDR ein internationales BMBF-Verbundprojekt koordiniert. Das dort eingesetzte kinetische 3D Monte-Carlo-Programm wird für das Rosi-Projekt modifiziert. Simulationen zur Rascherstarrung von Mikrotröpfchen reduzieren den experimentellen Aufwand. Weitere Prozesssimulationen werden zur Teilchendynamik im Pulver während der Vakuumbeschichtung durchgeführt. Erst durch solche Simulationen kann eine Beschichtung der Teilchen unter der Einwirkung von Gravitation, Dampfdruck und elektrischen Feldern optimiert werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Aufklärung der skalenübergreifenden Degradationsmechanismen während der elektronenmikroskopischen Charakterisierung der MEA vor und nach dem Betrieb." wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH durchgeführt. Im Rahmen des Teilvorhabens werden am MPIE die Struktur von neuen Trägermaterialien und Katalysatoren (bestehend aus Pt und Pt Legierungen), deren Verteilung sowie der Schichtaufbau der gesamten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) einschließlich der Dreiphasengrenze Membran-Katalysator-Trägermaterial mit höchstauflösenden elektronenmikroskopischen Verfahren vor und nach dem Betrieb untersucht. Ziel ist es mögliche Degradationsmechanismen auf verschiedenen Längenskalen (von der Mikro- bis hinab zu Nanometerebene) aufzudecken und durch geeignete Änderung der Materialien wenn möglich zu eliminieren, zumindest aber zu minimieren. Die Ergebnisse fließen direkt in die Entwicklung der einzelnen Komponenten der Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran (HTPEM) und der Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran (NTPEM) Brennstoffzellen ein. Wichtige Information über die neuartigen Kohlenstoffträgermaterialien wie deren Bindungsverhältnisse (sp3/sp2 Anteile) oder über die Größe, Form, Kristallstruktur, chemische Zusammensetzung, Elementverteilung der Katalysatoren sowie deren Veränderungen im Betrieb können nur mit höchstauflösenden elektronenmikroskopischen Methoden erhalten werden. Im Teilvorhaben werden daher die Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Rasterionenmikroskopie sowie deren analytischen Techniken wie die energiedispersive Röntgenspektroskopie oder Elektronenenergieverlust zum Einsatz kommen. Durch die erzielten Ergebnisse des Teilprojekts - Aufklärung der Struktur neuartiger Materialien und Materialverbunde sowie deren Veränderungen während des HTPEM und NTPEM Betriebs - lassen sich gemeinsam mit den Projektpartnern gezielt optimierte MEAs entwickeln und das Gesamtziel des Vorhabens - dem Erreichen von ultralangen Lebensdauern von Polymer basierten Brennstoffzellen im Heavy-Duty-Bereich und in Kleinstkraftwerken in Haushalten - verwirklichen.
Das Projekt "Einzelvorhaben TEMCat3D: 2D und 3D Untersuchungen an porösen Brennstoffzellkatalysatoren mittels Transmissionselektronenmikroskopie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Anorganische und Analytische Chemie durchgeführt. Ziel des TEMCat3D Projektes ist es maßgeschneiderte poröse Pt/C Brennstoffzellenkatalysatoren morphologisch und strukturell mittels 2D-, IL- (identical location) und 3D-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) auf der Nanometerskala zu untersuchen um, in Kombination mit elektrochemischen Aktivitäts- und Stabilitätsdaten (aus anderen BMBF AG Fischer Verbundprojekten) Struktur-Funktions- und im Speziellen Struktur-Aktivitäts- und Struktur-Stabilitäts-Korrelationen abzuleiten und somit zu einer Verständnis basierten Optimierung der Systeme beizutragen. Die Pt/C Brennstoffzellenkatalysatoren, welche aus 3D porösen Kohlenstoffträgern und fein verteilten Platin Nanoteilchen (Pt NP) bestehen, werden hierbei in den BMBF geförderten und laufenden Verbundprojekten 'HT-Linked' und 'DEKADE' in der AG Fischer entwickelt und in diesen Projekten materialwissenschaftlich sowie elektrochemisch untersucht. Hierbei werden sowohl die Sauerstoffreduktionsaktivität als auch die Stabilität der entwickelten Katalysatoren in beschleunigten Alterungstests evaluiert. Um jedoch ein vollständiges Bild dieser Katalysatoren auf der Nanometerskala zu erhalten (i.e. 2D und 3D Abbildung der Katalysatorpartikelmorphologie und im Speziellen der Trägermorphologie sowie der 2D und 3D Verteilung der Pt Nanopartikel auf den porösen Kohlenstoffträgern) ist eine tiefgründige und systematische Charakterisierung mittels 2D- und 3D-TEM (HR-TEM) unabdingbar. Weiterhin ist die Kenntnis der Katalysatormorphologie und -struktur, bezogen auf den Kohlenstoffträger und die Platin Nanoteilchenverteilung vor und nach der Elektrochemie absolut notwendig um Aktivitäts-Funktions-Korrelationen etablieren zu können. Hierzu sollen die Katalysatoren mittels IL-TEM (IL = identical location) bezüglich Ihrer elektrochemischen Alterung untersucht werden; Methode, welche vorteilhafterweise ermöglicht ein und dieselbe Katalysatorstelle vor, während und nach elektrochemischer Beanspruchung zu untersuchen.
Das Projekt "RONDO: Prozessforschung und -entwicklung zur Herstellung und Verarbeitung von gerundeten Graphiten für Li-Ionen-Zellen mit verbesserter Schnellladefähigkeit" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Ulm, Arbeitsgruppe Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie durchgeführt. Ziel dieses Teilprojektes ist es, die Struktur (Porengröße, Porenvolumen, Grenzflächen) von gerundeten Grafiten als Anoden- und Komposite-Elektrodenmaterialien in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und FIB (focused ion beam)-Techniken sowie mittels Transmissionselektronenmikroskopie zu bestimmen und mit den von den Projektpartnern gemessenen Herstellungsbedingungen und Eigenschaften zu korrelieren. Bestehende Probenpräparationsmethoden und transmissionselektronenmikro-skopische (TEM) Untersuchungsbedingungen sowie rasterelektronenmikroskopische Methoden sollen für Grenzflächenstrukturbestimmung mittels TEM sowie für exakte quantitative Auswertung und einen höheren Durchsatz entwickelt werden. Siehe ausführliche Beschreibung in elektronischer Anlage
Das Projekt "Teilvorhaben: Morphologische und strukturelle Untersuchungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie (ZELMI) durchgeführt. Der Arbeitsplan sieht vor, dass in vier Arbeitspaketen zunächst die Herstellung von geeigneten Anoden und Kathodenkatalysatorsystemen geleistet wird. Diese Systeme werden bereits in kleinem Maßstab auf die gezielten Eigenschaften hin untersucht, während für die vielversprechendsten Kandidaten optimierte und größerskalige Herstellung vorangetrieben werden. Die Aufgabe der ZELMI/TUB ist es, die Entwicklung und Herstellung der Katalysatorsysteme mit analytischen und bildgebenden mikroskopischen Verfahren zu begleiten und zu deren Optimierung beizutragen. Dies geschieht durch Charakterisierung mittels Transmissionselektronenmikroskopie von Partikelgrößen, -form und -verteilung, sowie Morphologie. Ferner ist es Aufgabe der ZELMI/TUB die bestehenden Analysemethoden und etablierte Analyseverfahren zu optimieren und weiter zu entwickeln, um den steigenden Erfordernissen der im Projekt entwickelten Katalysatorsysteme zu entsprechen. Für die Aufnahme von Elementverteilungsbildern wird im ersten halben Jahr der Projektlaufzeit das bestehende konventionelle TEM mit einer Rastereinheit und einem HAADF-Detektor aufgerüstet. Nach erfolgreicher Validierung wird das System in den folgenden 5 Projekthalbjahren für die Strukturbestimmung an den von den Projektpartnern entwickelten neuen Materialien, sowie Referenzmaterialien angewandt. Die örtliche Verteilung von Iridium in der MEA nach Alterungstests liefert via FIB/SEM/TEM kritische Informationen zum Verhalten der Materialien. Notwendige Kristallinitätsbestimmungen erfolgen über Beugung mittels TEM, u.a. mit einer bei uns entwickelten und produzierten weltweit einmaligen 1 mym Feinbereichsauswahlblende, die es ermöglicht Beugungsinformationen aus einem Gesichtsfeld von nur ca. 15 nm zu erhalten. Damit sind Strukturuntersuchungen einzelner Nanopartikel möglich.
Das Projekt "Teilvorhaben: Untersuchungen zur Schadstoffwirkung von Kationen auf Gasdiffusionselektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme e.V. durchgeführt. Mit Hilfe von RDE und RRDE, zzgl. IL-TEM/EDX untersucht das DLR Oldenburg den Einfluss von ausgewählten Kationen auf die Kathoden- sowie Anodenreaktion. Die Sauerstoffreduktionsreaktion (oxygen reduction reaction, ORR) wird mit Hilfe einer rotierenden Scheibenelektrode (rotating disk electrode, RDE) charakterisiert. Die kinetische Stromdichte, die Tafelsteigung und die Austauschstromdichte können zur Bewertung der katalytischen Aktivität von Materialien bestimmt und verglichen werden. Es wird der Einfluss von ausgewählten Kationen der Wasserstoffversorgung auf die katalytische Aktivität der Katalysatoren untersucht. Um jedoch zu untersuchen, welche Effekte durch die Kationen auftreten, müssen die elektrochemischen Ergebnisse durch weiterführende Untersuchungen, z.B. mit REM + EDX, TEM + EDX, insbesondere durch zusätzliche Identical Location Transmission Elektronenmikroskopie, verifiziert werden. Eine RRDE (rotating ring disk electrode) ist aufgebaut wie eine Scheibenelektrode mit einem zusätzlichen Ring, welcher durch eine isolierende Schicht von der Scheibe getrennt ist. Mit Hilfe der RRDE können spezifische Reaktionspfade dann besser identifiziert werden. Nach Fertigstellung des neu zu beschaffenden elektrochemischen Messplatzes sowie Anpassung des bereits vorhandenen Messsystems werden in zwei parallelen Aufbauten elektrochemische Untersuchungen, auf Katalysatoren der Anoden- und Kathodenseite, als RDE- und RRDE-Experimente durchgeführt. Zudem soll mittels Identical Location Transmissionselektronenmikroskopie und weiteren optischen Messmethoden die Auswirkung auf den Katalysator und dessen katalytische Aktivität visualisiert werden.
Das Projekt "Berücksichtigung spezieller Effekte für die Anwendung eines optimierten Bruchmechanikkonzepts für den RDB-Sicherheitsnachweis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von AREVA GmbH durchgeführt. Zur anwendungsorientierten Vervollständigung des Bruchmechanikkonzepts über den gesamten Temperaturbereich für den RDB-Sicherheitsnachweis sollen die Einflüsse, wie erhöhte im Zähbruchbereich befindliche Prüftemperaturen, WPS-Effekt durch betrieblich bedingte Vorbelastung und Werkstoffinhomogenitäten auf die Bruchzähigkeitskurve anhand von bruchmechanischen Versuchen mit für europäische Anlagen repräsentativen RDB-Werkstoffen aus der bereits vorhandene Datenbasis und zusätzlich mit einem geseigerten Werkstoff quantifiziert werden. Die Einbeziehung unterschiedlicher Probengeometrien, statistischer Unsicherheitsbewertungen und die Verifikation mikromechanischer Versagens-Modelle (Local Approach) dienen vor allem dazu, bauteilbezogene Sicherheitsmargen für die RDB-Integritätsbewertung zu quantifizieren. Insgesamt ist das Ziel einen sicheren Langzeitbetrieb von Kernkraftwerken im Sinne des aktuellen Stands von W&T abzusichern, den Anschluss an den internationalen Erkenntnisstand zu gewährleisten, die Kompetenz für diese sicherheitstechnisch relevante Thematik weiter zu entwickeln, und dazu beizutragen, den Stand von W&T in die entsprechenden Regelwerke zu implementieren. Mit der Einbeziehung von entsprechenden Daten deutscher Nachbarländer kann gleichzeitig ein grenzüberschreitender Beitrag für die nukleare Sicherheit weltweit geleistet werden. Es werden aus insgesamt 6 überwiegend originale RDB-Werkstoffe sowie aus einem geseigerten bzw. wasserstoffflockenhaltigen Werkstoff Proben hergestellt und folgende Untersuchungen durchgeführt: - Bruchmechanikversuch -zur Rissinitiierung und stabiler Rissverlängerung im duktilen Bereich -unter Berücksichtigung einer warmen Vorbelastung (WPS-Effekt) mit verschiedenen Last- und Temperaturparametern. -mikrostrukturelle Untersuchungen (REM, TEM) -Numerische und statistische Berechnungen.
Das Projekt "Teilverbund E: Hochauflösende Elektronenmikroskopie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH - Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) durchgeführt. Das Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung und Verbesserung neuartiger kohlenstoffgeträgerten Legierungsnanopartikel als innovative Katalysatoren für Brennstoffzellen. Hierbei ist eine Untersuchung mittels moderner analytischer Transmissionselektronenmikroskopie unerlässlich. Dieses Teilvorhabens beschäftigt sich mit der elektronenmikroskopischen Untersuchung des Wachstums und der Alterungsprozesse dieser neuartigen Legierungsnanopartikel. Es ist wichtig für die Optimierung der Nanopartikelsynthese in Richtung Kern-Schale-Struktur und zur Verknüpfung der mikrostrukturellen Informationen mit den Ergebnissen der Aktivitätsmessungen. Ein weiteres Ziel ist es, Informationen über die mikrostrukturellen Prozesse der Alterung der Nanopartikel-Träger-Systems zu erlangen und somit einen Beitrag zum Verständnis der Degradationsmechanismen in Brennstoffzellen zu liefern. Auf diese Weise soll im intensiven Informationsaustausch mit den Synthese-Partnern im Verbund eine Optimierung des Katalysatorsystems stattfinden. AP1: Mikrostrukturelle Analytik zur Optimierung der Kern-Schale Struktur Hier werden hinsichtlich ihrer Aktivität vielversprechende binäre und ternäre Platin-TM Nanopartikel untersucht um ihre Struktur im Hinblick auf eine Kern-Schale-Struktur optimiert. Hierzu wird hochauflösende STEM, EDX und EELS verwendet. AP2: Elektronenmikroskopische in-situ Experimente zur Optimierung der Kern-Schale-Struktur Eine gezielte Einstellung von Kern-Schale-Strukturen ist durch Hochtemperaturbehandlung in geeigneten Gasen zu erreichen. Hierzu werden in-situ Experimente im Elektronenmikroskop vorgenommen. AP3: Mikrostrukturelle Auswirkung elektrochemischer Alterungstests Katalysatorpartikel werden zu verschiedenen Zeitpunkten der Synthese sowie vor und nach elektrochemischen Alterungstests analysiert. Diese geben entscheidende Hinweise auf die mikrostrukturellen Degradationsmechanismen und somit zur Verbesserung der Stabilität der hier untersuchten Katalysatorsysteme.
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| Förderprogramm | 75 |
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