Synthese und keramische Pulvertechnologie
Die Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe Synthese und keramische Pulvertechnologie fokussieren sich auf anwendungsorientierte Aspekte von anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffen. Neben der Entwicklung neuer Werkstoffe steht vor allem das Verständnis von Material-Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im Vordergrund. Das Potential vieler Werkstoffe wird erst durch geeignete Dotierungen, maßgeschneiderte Gefüge oder über Kompositmaterialien erschlossen. Daraus leiten sich folgende Kernkompetenzen der Arbeitsgruppe ab:
- Synthese von anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffen
- Pulvertechnologische Prozesstechnik
- Strukturelle und morphologische Charakterisierung der Materialien
Von Beginn an kommen bei der Herstellung der Materialien Verfahren zum Einsatz, mit denen auch größere Mengen synthetisiert werden können, um diese mit entsprechenden Prozesstechnologien auch zu anwendungsrelevanten Komponenten oder Systeme weiterverarbeiten zu können.
Aktuelle Themenschwerpunkte sind:
Materialien für Lithium-Ionen Batterien
Während bei den Lithiumübergangsmetallfluoriden der Zero-Strain Mechanismus betrachtet wird, fokussieren sich die Entwicklungen im Bereich der dotierten Hochvolt-Spinelle auf Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und die Realisierung von Vollzellen. Bei Li(NixCoyMnz)O2 (NCM)-Materialien steht die Re-Synthese mit recycelten Materialien im Vordergrund.
Materialien für Post-Lithium Batterien
Im Rahmen des Exzellenzclusters POLiS werden folgende Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen Batterien untersucht:
- Schichtoxide
- Polyanionische Verbindungen
- Preußisch Weiß Materialien
Des Weiteren werden polyanionische Batteriematerialien für Kalium-Ionen Batterien entwickelt.
Materialdesign
Nanostrukturierte Materialien zeichnen sich durch eine verbesserte Ratenfähigkeit und Zyklenstabilität aus. Zur Verbesserung der Stabilität dienen auch Partikelbeschichtungen. Homogene Beschichtungen werden z.B. mit einer chemisch aktivierten Beschichtungsmethode erzielt. Bei Feststoffbatterien sind neben den Partikelbeschichtungen auch sogenannte „Single Crystal“ Materialien von Bedeutung.
Materialcharakterisierung
Für die kristallographische Charakterisierung steht ein flexibles Labordiffraktometer mit einem modernen Flächendetektor zur Verfügung. Neben operando Messungen an Knopfzellen werden auch temperaturabhängige XRD Experimente zur Optimierung von Synthese- und Kalzinierungsprozessen durchgeführt.
Hochskalierung von Batteriematerialien (HEMF)
Flexibles Synthese-Technikum zur Herstellung von Batteriematerialien im Kilogramm-Maßstab (bis zu 10 kg). Neben klassischen Mischoxid-Verfahren können Fällungsreaktionen und nasschemische Synthesen sowie Partikelbeschichtungen oder Pyrolysen durchgeführt werden.
Bildergalerie: Syntheseanlage, Rührwerkskugelmühle, Sprühtrockner, Kammeröfen mit Retorten, Retortenofen, Drehrohrofen.
Gedruckte Materialien
Im Bereich der gedruckten Elektronik liegt der Fokus auf der Entwicklung von keramischen Tinten für die Herstellung von passiven Bauelementen. Zum Druck auf flexiblen Polymersubstraten vereinen anorganisch-organische Kompositsysteme die hervorragenden dielektrischen Eigenschaften von Keramiken, wie z.B. BaxSr1-xTiO3 und die gute Prozessierbarkeit polymerer Werkstoffe. Für Kondensatoren mit hoher Kapazität wurden Mehrlagenkondensatoren mit polymerisierbaren Tinten realisiert, für Varaktoren wurden u.a. ferroelektrische Polymere eingesetzt.
Materialien für steuerbare Mikrowellen-Komponeten
Keramische Materialien wie (Ba,Sr)TiO3 müssen für die Anwendung als steuerbare Mikrowellen-Komponenten maßgeschneidert werden. Neben gezielten Dotierungen können mit dielektrisch-ferroelektrischen Kompositsystemen die Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Additive zur Erniedrigung der Sintertemperatur ermöglichen zudem die Realisierung von vollständig gedruckten Mikrowellen-Bauteilen. Die Entwicklungen erfolgten in enger Zusammenarbeit mit dem IMP der TU Darmstadt.
