Nanomaterialien - NAM -

Die Nanostrukturierung von Materialien erlaubt die Erschließung neuer Kombinationen von physikalischen Eigenschaften. In diesem Themenbereich stehen in der Arbeitsgruppe aktuell vor allem nanoporöse Materialien auf Sol-Gel-Basis im Vordergrund, die sowohl eine dreidimensional vernetzte Festkörperphase als auch eine dreidimensional verknüpfte Porenphase besitzen. Einstellbare Größen in Hinblick auf unterschiedliche Anwendungen sind die chemische Zusammensetzung der Festkörperphase (aktuell: Silica, organische/anorganische Hybride, organische Materialien und daraus abgeleitete Kohlenstoffe), die Gesamtporosität, die mittlere Porengröße bzw. die Porengrößenverteilung, die spezifische Oberfläche und die Eigenschaften vorhandener Mikroporen (< 2 nm).

Die Arbeitsgruppe Nanomaterialien beschäftigt sich in diesem Umfeld mit folgenden Themen:

  • Synthese monolithischer und pulverförmiger Materialen sowie dünner Schichten bestehend aus nanoporösen anorganischen, organisch/anorganischen hybriden oder organischen Materialien (auch als Vorstufen synthetischer Kohlenstoffe) und daraus abgeleiteten Kompositen
  • Charakterisierung nanoporöser Werkstoffe und Entwicklung neuer oder adaptierter Messmethoden, die insbesondere zur Charakterisierung nanoporöser Materialen geeignet sind
  • Modellierung nanoporöser Materialien
  • Anwendungen nanoporöser Werkstoffe in den Bereichen Elektrochemie, Wärmedämmung, Adsorber/Filter

Ansprechpartner:
Gruppenleiterin:
Dr. Gudrun Reichenauer
Magdalene-Schoch-Straße 3
97074 Würzburg
Tel.: +49 931 70564-328
Fax: +49 931 70564 -600
gudrun.reichenauer@zae-bayern.de

Stellv. Gruppenleiter:
Dr. Christian Scherdel
Magdalene-Schoch-Straße 3
97074 Würzburg
Tel.: +49 931 70564-315
Fax: +49 931 70564 -600
christian.scherdel@zae-bayern.de

Link zum Gruppenflyer

Leistungen & Ausstattung

Leistungen

Bereitstellung von Modellmaterialien

  • Synthese nanoporöser Materialien (als Pulver, Monolithe, Gradienten, Komposite) als Modellmaterialien für systematische Untersuchungen zum Einfluss struktureller Kenngrößen (z. B. spezifische Oberfläche, Mikroporeneigenschaften, Meso- bzw. Makroporengröße, Porosität) auf die Eigenschaften in einer Zielanwendung (z. B. Wärmedämmung, Frequenzabhängigkeit der elektrischen Speicherkapazität, …)

Post-Treatment

  • Thermische Nachbehandlung von Materialien unter verschiedenen Atmosphären bis 1250 bzw. 1800 °C (unter Argon)

Strukturelle Charakterisierung

  • Porosität (Mikro- und Mesoporosität)
  • Porengrößenverteilung
  • spezifischen Oberflächen (gesamt, extern)
  • Partikelgrößen, auch in Dispersionen oder anderen zweiphasigen Systemen
  • Dichtemessungen der unporösen Phase mit Helium-Pyknometrie
  • typische Erscheinungsformen (Visualisierung der Struktur)
  • chemische Zusammensetzung

Ermittlung von

  • Dampfisothermen (Wasser und andere Dämpfe)
  • Gaspermeation (auch Mischungen) durch Barrierefolien, Dichtungen und poröse Materialien

Elektrochemie

  • Methoden zur Charakterisierung elektrochemischer Systemen, Bestimmung spezifischer Kapazitäten und frequenzabhängige Widerständen.

Sonstiges

  • Analytik der Gaszusammensetzung bis atomare Masse 200 (in Kombination mit verschiedenen Anlagen)
  • Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Gelen (E-Modul, Poisson-Zahl) und kleiner (auch unregelmäßig geformter) Festkörper

Ausstattung

Synthese

  • Sol-Gel-Syntheselabor
  • Autoklaven für überkritische Trocknung, Anlage für definierte konvektive Trocknung
  • Rohr- und Kammer-Öfen für Prozesse an Luft oder definierter Atmosphäre (bis 1250 °C) und unter Schutzgas (bis 1800 °C)

Strukturelle Charakterisierung

  • Rasterelektronenmikroskop mit EDX, Elektronenstrahl-Lithographie-Option, Heiztisch bis 1500 °C, Druck-/Zugmodul
  • Gas-Adsorptionsanlagen mit optionalen Probenhaltern für in-situ-dilatometrische Messungen (Gase und Dämpfe)
  • Helium-Pyknometrie
  • Dynamische Lichtstreuung zur Partikelgrößenanalyse für Partikel < 6 μm
  • Röntgenkleinwinkel- und Weitwinkelstreuung (Strukturen < 100 nm, geeignet für Festkörper, Pulver und Systeme in Flüssigkeiten, Methode auch für In-situ-Messungen geeignet)
  • Beam-bending an Nassgelen

Wasseraufnahme & Gastransport

  • Präzisionswaage zur Bestimmung der Wasseraufnahme und -dampfdiffusion
  • Klimakammer mit Waage (Wasserdampfsorptionskinetik in Platten)
  • Gaspermeationsanlagen zur Analyse des Gastransports durch poröse Materialien
  • Anlage zur Bestimmung von Lösungsdiffusion in Barriereschichten/Dichtungen

Elektrochemie

  • Zyklische Voltammetrie
  • Impedanzspektroskopie (10 μHz – 250 kHz)
  • Constant Current Cycling
  • Glovebox (organische Elektrolyten)
  • Messzellen für Halb- und Vollzellmessungen (optional auch mit In-situ Dilatometrie)
  • Vierpol-Anordnung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit

Weitere Analytik

  • Mobiles Massenspektrometer für Gasanalyse (Massenzahlen bis 200 amu)
  • Ultraschalllaufzeit-Messungen zur Bestimmung des E-Moduls

Projekte

NetPVStore -
Entwicklung eines netzdienlichen Photovoltaik-Speicher-Systems unter Einsatz von Ultrakondensatoren

Graphische Darstellung

Vor allem durch Wolkenbewegung hervorgerufene Fluktuationen der solaren Einstrahlung sind unvermeidlich, stellen aber für die Photovoltaik ein Problem dar, da sie einerseits die Leistungselektronik belasten und andererseits die Netzstabilität negativ beeinflussen können.

Ziel des Projekts ist deshalb die Entwicklung einer Wandler-Speicher-Einheit, bestehend aus Photovoltaik (PV)-Modulen und Kurzzeitspeichern, die Leistungsschwankungen von PV-Anlagen im Bereich von Sekunden bis Minuten deutlich glätten und somit erneuerbare Energien in netzdienlicher Qualität bereitstellen soll.

Das neue Speichersystem setzt sich zusammen aus Photovoltaikmodulen sowie darauf angepassten ultraschnellen elektrischen Kurzzeitspeichern und Regelelektronik mit Wechselrichter. Nach einer dreijährigen Entwicklungs- und Optimierungsphase auf Laborebene soll das neue System in Form einer Demonstrationsanlage im Netz installiert und in einer einjährigen Monitoringphase unter Realbedingungen bewertet werden.

BMWi-Projekt (Förderkennzeichen: 03EI4021A - NetPVStore)

Ansprechpartner:
Dr. Gudrun Reichenauer, gudrun.reichenauer@zae-bayern.de
Dipl.-Phys. Stephan Braxmeier, stephan.braxmeier@zae-bayern.de

Zuverlässige Charakterisierung von Silica-basierten Aerogelen – Struktur und Wärmeleitfähigkeit

 Silica-basierte Aerogele

Aerogele sind nanoporöse Materialien mit interessanten Eigenschaften für Anwendungen in den Bereichen Wärmedämmung, Elektroden, Katalyse, Filter und Adsorber, Drug-Delivery und vielen mehr. Die besonderen Eigenschaften dieser Materialien stellen aber auch große Ansprüche an etablierte Methoden zur Charakterisierung bezüglich Struktur und Wärmeleitfähigkeit.

Der aktuell international vorhandene Mangel an zuverlässiger Analytik bewirkt, dass die Materialentwicklung im Hinblick auf bestimmte Anwendungsfelder teilweise blind erfolgt. Die Möglichkeiten in der spezifischen Anwendung können entsprechend nicht voll ausgeschöpft werden. Außerdem entstehen so beim Vergleich von Messungen unzulässige Verzerrungen aufgrund falsch erhobener Daten.

Im Rahmen des Projekts soll das derzeit drängendste Problem nachhaltig behoben werden: Änderungen in Synthesevorschriften können nicht zuverlässig mit resultierenden strukturellen Eigenschaften oder Wärmeleitfähigkeiten verknüpft werden. So soll, durch nachvollziehbare und reprozierbare Kenndaten auf Produktebene, auch das Vertrauen in Aerogel-Werkstoffe gestärkt werden.

Unterauftrag im Rahmen des BMWi-Projekts THEA, DLR

Ansprechpartner:
Dr. Gudrun Reichenauer, gudrun.reichenauer@zae-bayern.de
Dipl.-Phys. Stephan Braxmeier, stephan.braxmeier@zae-bayern.de

ELVABATTslim -
Entwicklung innovativer dünner Elektroden und angepasster Flussrahmen zur Effizienzsteigerung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien sind wartungsarme elektrische Speicher, die sich dadurch auszeichnen, dass maximal speicherbare Energie und Leistung in einem Speicher unabhängig voneinander ausgelegt werden können. Der Fokus des Projekts liegt auf der Hauptkomponente von Redox-Flussbatterien, der Wandlereinheit, u. a. bestehend aus Elektroden und darauf angepasstem Flussrahmen. Sowohl Simulationen als auch Messungen an neu entwickelten Elektroden mit hoher Reaktionsoberfläche zeigen, dass bei deren Einsatz in einer Standard-Redox-Flow-Batterie ein überraschend großer Anteil des Elektroden-Volumens von 70 bis 80 % nicht für die Redox-Reaktion genutzt wird. Deshalb sollen angepasste Elektroden mit zum Stand der Technik vergleichbarer Leistungsdichte entwickelt und die Prozessierung dieser Elektroden optimiert werden. Außerdem werden neuartige Führungen der Elektrolytströmung betrachtet und das Stackdesign auf die Elektroden angepasst. Die erzielbare Reduktion des eingesetzten Elektrodenmaterials bei verbesserter Performance des Stacks erlaubt einen kompakteren Stack-Aufbau, eine signifikante Reduktion der Systemgröße, eine deutliche Kostenreduktion für das Batteriesystem und somit eine Verbesserung der Marktfähigkeit dieser Speichertechnologie.

BMWi-Projekt (Förderkennzeichen: 032 5914, ELVABATTslim)

Ansprechpartner:
Dr. Gudrun Reichenauer, gudrun.reichenauer@zae-bayern.de
Dr. Matthias Wiener, matthias.wiener@zae-bayern.de

ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

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