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Fusionstechnologie und Batteriesysteme

 

 

 

 

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Eine nachhaltige und zukunftsfähige Energieversorgung fordert den Übergang zu umweltschonender Energiegewinnung und Speicherung. Die Kernfusion kann dies durch Verschmelzung der beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium zu Helium und freiwerdender Energie in Form von Neutronen sehr gut gewährleisten. Deuterium wird aus dem Meerwasser gewonnen und das Isotop Tritium erzeugt das Kraftwerk selbst durch Umwandlung von Lithium in Tritium und Helium. Das Lithium liegt im Kraftwerk zur besseren Handhabung in einer eutektischen Blei-Lithium Legierung mit 15,7 Atom-% Lithium vor, die dabei in Kontakt mit Stahlstrukturen steht. Entscheidend für die Lebensdauer solcher Komponenten wird die korrosive Wechselwirkung der fließenden Blei-Lithium Schmelze mit den Strukturmaterialien sein. Der Arbeitsbereich Fusionstechnik analysiert die auftretenden Phänomene und entwickelt daraus weniger korrosionsempfindliche Werkstoffe und stellt Daten zur Optimierung von Anlagenkomponenten bereit.
Neben der Energiegewinnung wird deren effiziente, sichere und kostengünstige Speicherung für mobile und stationäre Anwendung ein richtungweisendes Entwicklungsfeld sein. Im Entwicklungsbereich der Lithium-Ionen-Batterien stehen Verträglichkeitsanalysen von Elektrodensystemen in neuartigen Elektrolytsystemen im Vordergrund. Die Abteilung Korrosion unterstützt mit seinem langjährigen elektrochemischen Know-how die Entwicklungsarbeiten bei fusionsrelevanten Werkstoffen und Analysen von Batteriematerialien.
Die Entwicklungsstrategie im Bereich Fusionstechnologie und Batteriesysteme fokussiert sich dabei auf folgende Arbeitsschwerpunkte:

Fusionstechnologie

  • Ausführung von Kompatibilitätsanalysen zum Verhalten von Strukturmaterialien in strömenden Blei-Lithium-Schmelzen unter nicht isothermer Belastung.
  • Bestimmung von Korrosionsmechanismen, Transportvorgängen und Ausscheidungsbildung in geschlossenen Kreisläufen.
  • Entwicklung von Modellen einschließlich deren Validierung zur Systemauslegung zukünftiger Kraftwerke


Elektrochemie

  • Entwicklung innovativer Bearbeitungsmethoden mit Hilfe elektrochemischer Abtragung ECM (Electro-Chemical-Machining) empfindlicher und schwer zerspanbarer Werkstoffe
  • Abscheidung funktionaler Schichten für die Lottechnologie für Hochtemperaturverbindungen von Stahl-Wolframbauteilen
  • Entwicklung von Beschichtungsverfahren für Aluminium und Refraktärmetalle, wie z. B. Wolfram aus innovativen Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten als Barrieren und Lotmaterialien


Batterietechnik

  • Verträglichkeitsanalysen von neuartigen Elektroden- bzw. Ableiterwerkstoffen in optimierten Elektrolytsystemen für die Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien

 

 

 

 

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Blei-Lithium Flüssigmetallkreislauf PICOLO

Das Korrosionsverhalten von ferritisch-martensitischen Stählen und die Stabilität von Korrosionsschutzschichten werden im Flüssigmetallkreislauf PICOLO untersucht. Bei PICOLO handelt es sich um einen nicht-isothermen Kreislauf mit erzwungener Pb-15,7 Li Strömung. Die Strömungsgeschwindigkeit kann zwischen einigen mm/s und ca. 1 m/s variiert werden. Testtemperaturen liegen im Bereich von 480 bis 550 °C, wie sie später als Betriebstemperatur in der Fusionsanlage ITER auftreten werden. PICOLO ist konzipiert für Auslagerungszeiten über 10.000 Stunden und seine Testkammer kann simultan mit ca. zwölf Proben bestückt werden. PICOLO gilt heute als Referenzkreislauf in der europäischen Korrosionsforschung. Sämtliche blanken Stähle erfahren immer einen Korrosionsangriff und die Korrosionsprodukte werden mit der umgepumpten Schmelze transportiert und bilden Ausscheidungen im kühlen Bereich. Die Blei-Lithium-Reinigung und Untersuchung des Einflusses von Verunreinigung auf das Korrosionsverhalten stehen bei zukünftigen Untersuchungen im Vordergrund, um einen störungsfreien Betrieb von ITER bzw. prototypischen Anlagen zu gewährleisten.

    Electro-Chemical-Machining (ECM)

In der Stahlbearbeitung ist ECM ein Standardverfahren zur Nachbearbeitung von Oberflächen und Strukturierung komplexer Geometrien im Bereich der Massenfertigung. Naturgemäß erfolgt über die elektrochemische Abtragung eine sanfte Bearbeitung ohne Einbau von strukturellen Defekten wie Mikrorisse. Eine Anwendung im Wolframbereich wurde erst durch die Entwicklung eines speziellen wasserbasierten zweikomponentigen Elektrolytsystems möglich. Unter Anwendung gepulster Gleichströme können nun fein strukturierte Wolframkomponenten, z. B. Wärmetauscherplatten, gefertigt werden. Aspektverhältnisse von 1:10 sind möglich.
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Lotschichten und funktionale Schichten

Bei der Fertigung komplexer Divertorbaukomponenten werden Lotverbindungen benötigt mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dabei muss z. B. bei Stahl-Wolfram-Lötungen eine Differenz im Ausdehnungskoeffizienten von etwa einer Größenordnung ausgeglichen werden. Häufig existierte eine direkte Benetzung der Bauteile durch anwendbare Lote nicht. Dies ist dann nur durch Aufbringen funktionaler Zwischenschichten und speziell konzipierter Lote möglich.

Über elektrochemische Abscheidung werden solche Schichten und Lote aus wässerigen Elektrolyten auf die zu lötenden Komponenten aufgebracht. Vorteile sind dabei die von Haus aus vorhandene, gleichmäßige und fehlerfreie Benetzung und die z. B. gute Schichtdickenkontrolle.

 

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Beschichtungen

In technischen Anwendungen werden korrosionsbeständige Schutzschichten und Diffusionsbarrieren für komplexe Baugruppen benötigt, die aus verfahrenstechnischen Gründen nicht über CVD oder PVD aufbringbar sind. Elektrochemische Beschichtung stellt hier eine Alternativmethode dar. Häufig handelt es sich jedoch um Schichten, die nicht aus wässerigen Elektrolyten abgeschieden werden können. So weisen z. B. vergütete Aluminiumschichten auf Stahl eine exzellente Korrosionsbeständigkeit im Kontakt mit Blei-Lithium-schmelzen auf. Zu diesem Zweck werden Verfahren zur Abscheidung von Aluminium und Refraktärmetallen aus ionischen Flüssigkeiten entwickelt, da nur dieser Typ von Elektrolyt nahe Raumtemperatur betrieben werden kann und keine Oxidation bei der Schichtabscheidung bewirkt. Die für Aluminium erprobte Abscheidung zeigt eine gute Streuwirkung, einen homogenen Schichtaufbau sowie über die Parameter Abscheidestromdichte und Prozesszeit, eine leicht zu steuernde Beschichtungsdicke.

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Batteriesysteme

In der derzeitigen Entwicklung von Stromspeichern stehen so genannte Lithiumionenbatterien im Interesse für Elektroautos. Deren Akzeptanz erfordert aber z. B. höhere Speicherkapazität und bessere Lebensdauer. Dies soll unter anderem über neuartige Elektroden und Elektrolytsysteme erreicht werden. Der Fokus liegt im Bereich Charakterisierung dieser neuen Materialien bezüglich ihrer korrosiven Beständigkeit in neuartigen Elektrolytsystemen.

Fragen zu diesen Themen richten Sie bitte an Dr. Wolfgang Krauss.