Automatisierte und Integrierte Elektrodenherstellung und -charakterisierung

• Fachliche Zuordnung: Verfahrenstechnik, Technische Chemie
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555890911

Elektrochemische Funktionsmaterialien sind zentral für elektrochemische Anwendungen und werden sowohl über Gas- als auch Flüssigphasensynthesen hergestellt. Allerdings können elektrochemische Funktionsmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung nur in einer Funktionsumgebung, d.h. in einer Elektrode als Halb- oder Vollzelle final bewertet werden. Eine Elektrode ist eine Schicht, bei der der Elektrokatalysator als Aktivmaterial zusammen mit Bindern und Leitfähigkeitsadditiven als Dispersion/Tinte/Paste/Slurry oder als flüssiger Präkursor auf ein Substrat appliziert und getrocknet, und ggf. thermisch, mechanisch oder chemisch nachbehandelt wird. Für die elektrochemischen Eigenschaften und die Stabilität der Elektrode spielen neben dem Aktivmaterial selbst auch die stoffliche Zusammensetzung und die Porenstruktur, sowie die Grenzflächeneigenschaften und Kohäsion in der Elektrodenschicht, sowie die Adhäsion der Elektrodenschicht an das Substrat eine entscheidende Rolle. Der zu untersuchende Parameterraum ist riesig und bereits geringe Veränderungen der Elektrodenschicht beeinflussen die Performanz und Stabilität der elektrochemischen Funktionsmaterialien im Betrieb. Daraus lassen sich drei Herausforderungen ableiten: i) Elektroden müssen hochreproduzierbar und losgelöst vom „Faktor Mensch“ hergestellt werden, damit reale Effekte nicht im experimentellen Rauschen untergehen, bzw. experimentelles Rauschen nicht fehlinterpretiert wird. ii) Elektroden müssen mit hinreichendem Durchsatz hergestellt werden, um den Parameterraum zu erfassen und die entscheidenden Parameter herauszuarbeiten. Der absolute Probendurchsatz ist im Fall von manuell durchgeführten Experimenten auf maximal 2-3 Elektroden/Tag begrenzt, insbesondere wenn auch Wiederholungsansätze miterstellt werden. iii) Es bedarf eines integrierten Datenmanagements, das die Verbindung von Materialeigenschaften und der Mikrostruktur der Elektrode mit Leistungsdaten ermöglicht. Das beantragte System zur Automatisierten und Integrierten Elektrodenherstellung und -charakterisierung als Forschungsinstrument soll in der Lage sein, automatisiert und reproduzierbar Materialien zu formulieren, in Elektrodenschichten zu verarbeiten und die erzeugten Schichten thermisch und mechanisch nachzubehandeln. Die Elektrodencharakterisierung soll sowohl die Schichtstruktur als auch die elektrochemischen Schichteigenschaften abdecken. Zusätzlich zu dem in der Anlage selbst integrierten Daten und Probenmanagement, ist das gesamte System in ein übergeordnetes elektronisches Laborbuch (eLab.FTW) eingebunden, und ermöglicht die Verknüpfung mit außerhalb der Anlage gesammelten Daten. Dadurch gelingt es, Korrelationen von Material- und Elektrodenstruktureigenschaften mit elektrochemischen Leistungsdaten zu finden, und die zugrunde liegenden Prozess-Struktur- und Material-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Automatisierte und Integrierte Elektrodenherstellung und -charakterisierung
• Gerätegruppe: 2180 Maschinen für Oberflächenbehandlung (Elektropolieren, Galvanisieren, Lackieren, Sandstrahlen)
• Antragstellende Institution: Universität Duisburg-Essen
• Leiterin: Professorin Dr.-Ing. Doris Segets