Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen FINO

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Aktuelle Projekte

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Energiespeicher sind die zentralen Schlüsselelemente in der heutigen Zeit, die von Energiewende, Klimaschutz und Nachhaltigkeit geprägt ist. Während die Zahl der Windkraft- und Solaranlagen weiterhin rasant ansteigt, ist die Frage nach der Speicherung der damit erzeugten Energie noch immer nicht geklärt. Mit dem 6. Energieforschungsprogramm unterstützt die Bundesregierung Unternehmen und Forschungseinrichtungen dabei, neue Technologien für die Energieversorgung von morgen zu erforschen und zu entwickeln. Im Rahmen dieser Fördermaßnahme startete im April das Verbundprojekt „S-FLOW – Wieder aufladbare Lithium-Batterie mit einer Schwefel-FLOW-Kathode“, dessen Ziel die Entwicklung eines kostengünstigen und leistungsfähigen stationären Speichers ist.

Prof. Dr. Sörgel vom Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen ist einer der Projektpartner, der maßgeblich an der erfolgreichen Antragsstellung beteiligt war. In dem Verbundprojekt, dem ein Gesamtbudget von über 2 Millionen Euro zu Grunde liegt, forschen neben der Hochschule Aalen das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie fem in Schwäbisch Gmünd, die Freudenberg New Technologies SE (Weinheim) sowie VARTA Storage im Unterauftrag der VARTA Microbattery GmbH (Ellwangen). Projektkoordinator ist der erfahrene Projektleiter Dr. Martin Krebs von VARTA Microbattery.

Lithium/Schwefel-Akkumulatoren gelten aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte, ihrer Umweltfreundlichkeit und der zu erwartenden niedrigeren Kosten als designierte Nachfolger der Lithium-Ionen-Technologie. Seit 2013 forscht die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Sörgel vom Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen FINO im mittlerweile fünften geförderten Projekt intensiv an diesem Thema. Die Arbeitsgruppe nutzte zum ersten Mal galvanotechnische Verfahren, um ein neues, innovatives Kathodenmaterial herzustellen, das in 2014 von der Hochschule Aalen zum Patent angemeldet worden ist. Auch im Projekt „S-FLOW“ spielt die Galvanotechnik bei der Erforschung des neuen Akkumulators eine entscheidende Rolle. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen Lithium/Schwefel-Semi-Flow-Batterie. Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher, welche elektrische Energie unter Verwendung flüssiger Elektrolyte speichern. Sie werden derzeit vor allem aufgrund ihrer einfachen Skalierbarkeit, hohen Effizienz, Langlebigkeit und des schnellen Ansprechverhaltens als stationäre Energiespeicher verfolgt. Die im Projekt „S-FLOW“ neu zu entwickelnde Semi-Flow-Batterie knüpft hier an und kombiniert auf gewinnbringende Weise viele Vorteile der Lithium/Schwefel-Technologie mit denen der Polysulfid-Flow-Batterien, wobei zugleich einige der bekannten Nachteile beider Batteriearten eliminiert werden. Ergebnis ist ein Batteriekonzept mit deutlich höherer Energiedichte, verbesserter Materialausnutzung und Zyklenfestigkeit.

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Im Verbundprojekt S-Flow wird seit April 2016 in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie fem in Schwäbisch Gmünd, Freudenberg New Technologies SE (Weinheim) sowie VARTA Storage im Unterauftrag der VARTA Microbattery GmbH (Ellwangen) eine wieder aufladbare Lithium-Batterie mit Schwefel-FLOW-Kathode erforscht.

Das Projekt wird im Rahmen des 6. Energieforschungs-
programms der Bundesregierung unter dem Förderkennzeichen 03ET6084D vom BMWi gefördert.

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Im Projekt "Sichere 3D-Li/S-Zelle" wird seit Oktober 2016 in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie fem in Schwäbisch Gmünd an der Entwicklung einer Lithium/Schwefel-Zelle mit 3D-Zellkomponenten für eine gesteigerte Energieeffizienz, Zyklenfestigkeit und Sicherheit geforscht.

Das IGF-Vorhaben 19134 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle+Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Das Impuls-Projekt LiMaProMet beschäftigt sich mit der Verbesserung von Interkalationsmaterial-basierten Akkumulator-Kathoden sowie dem Thermomanagement der gesamten Batteriezelle. Ziel ist es, durch neue innovative Verfahren in enger Abstimmung und Kooperation mit den industriellen Projektpartnern der Region hochperformante Akkumulatoren zu entwickeln. Dabei wird parallel eine geeignete, produktionsbegleitende Qualitätssicherung ausgearbeitet, die auf die speziellen Aspekte des für das Projekt charakteristischen dreidimensionalen Elektrodenaufbaus fokussiert. Hierbei kommen auch Methoden der künstlichen Intelligenz (selbstlernende Algorithmen) zum Einsatz. Das Transfer- und Umsetzungspotential ist durch den engen Verbund mit den Industrie- und Forschungspartnern unter Einbindung in die Struktur von SmartPro sehr hoch. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren beider in LiMaProMet eingebundenen Institute der Hochschule Aalen ermöglicht die Nutzung komplementärer Expertisen und Geräteausstattungen. Dies führt zu neuen Entwicklungsimpulsen und verbessert die Transferchancen, was zu einer weiteren Steigerung der Forschungsstärke der Hochschule Aalen und der Forschungsprofilierung beitragen wird. Für die hochperformanten Elektroden werden zwei neue, innovative Wege verfolgt, um Elektroden mit Fokus auf einer hohen gravimetrischen und volumetrischen Leistungs- bzw. Energiedichte zu entwickeln. Dabei werden außerdem die Aspekte Energieeffizienz, Zyklenfestigkeit und Sicherheit mit berücksichtigt. Zum einen kommt ein von der Hochschule Aalen entwickeltes, völlig neues galvanotechnisches Verfahren zum Einsatz, das es erlaubt, auf die sonst erforderlichen Leitfähigkeits- und Binderadditive zu verzichten. Dadurch sind konzeptbedingt erhöhte Energie- und Leistungsdichten bzw. unter Verwendung von Matrixmetallen niedriger Dichte auch erhöhte spezifische Energien und Leistungen möglich. Alternativ dazu wird der klassische Ansatz der Aufbringung eines Slurries aus Aktivmaterial, Leitfähigkeits- und Binderadditiv auf die Beschichtung/Infiltration zellularer Trägermaterialien erweitert. Dies ermöglicht die Realisierung erhöhter Flächenbeladungen, wodurch die Energiedichte der Elektroden gesteigert werden kann. Im Rahmen des Projekts sollen geeignete Infiltrationsverfahren in Kombination sowohl mit heute bereits eingesetzten als auch zukünftigen Hochenergiematerialien ermittelt werden.

Als weiterer Ansatz zur Verbesserung der Zellperformance, vor allem unter hohen Stromraten (Hochleistungsanwendungen und Schnellladeszenarien) bzw. zur weiteren Verbesserung der Zellsicherheit wird die Eignung von Phase-Change-Materials für das Thermomanagement von Batteriezellen untersucht. Dies erfolgt zunächst durch Modellierung und Simulation sowie nachfolgend durch Validierung und Erprobung.

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Das Impulsprojekt "LiMaProMet" ist Teil des Gesamtvorhabens "Smarte Materialien und intelligente Produktionstechnologien für energieffiziente Produkte der Zukunft (SmartPro)" der Hochschule Aalen. In LiMaProMet arbeiten die Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Schneider, Prof. Dr. Knoblauch (beide IMFAA) sowie Prof. Dr. Sörgel (FINO) gemeinsam an der Entwicklung hochperformanter Elektroden.

Das Projekt startete am 01.03.2017 und hat eine Laufzeit von vier Jahren.

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Vector Stiftung

Mit der Gründung des FINO im Jahr 2014 wurde begonnen, die Forschungsschwerpunkte Dünnschichttechnik und Galvanotechnik gewinnbringend miteinander zu kombinieren. Der gemeinsame Projektantrag von Prof. Sörgel und Prof. Albrecht mit dem Titel „Amphiforce - Superamphiphobe Oberflächen durch Elektrophorese" ist das erste geförderte Projekt, bei welchem das FINO die Gelegenheit bekommt, diese Aktivitäten zu intensivieren.

142 Anträge sind im Rahmen der Ausschreibung MINT-Innovationen 2017 bei der Vector Stiftung eingeganen. Dass das FINO mit dem Projekt „Amphiforce“ zum Kreis der nur 12 zur Förderung ausgewählten Projekte zählt, freut alle Beteiligten umso mehr. 

Ziel des Projekts ist die Herstellung einer neuen, superamphiphoben Oberfläche. Von superamphiphoben Oberflächen spricht man, wenn es gelingt, die Benetzung der Oberfläche durch wässrige und ölartige Flüssigkeiten nahezu vollständig zu verhindern. Damit lässt sich eine maximale Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzungen erzielen, was für eine Vielzahl von Anwendungen höchst interessant ist. Bekannt ist das Phänomen des Lotus-Effekts. In diesem Projekt sollen die innovativen Oberflächen jedoch zusätzlich ölabweisend sein – eine deutlich komplexere Fragestellung.

Um derartige Eigenschaften zu gewährleisten, ist es notwendig, die Oberfläche mit spezifischen Strukturen im Mikro- und Submikrometermaßstab, welche mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind, auszustatten. Und hier setzt das Vorhaben des FINO an: durch die Kombination von mikrogeprägten Substraten – Themenschwerpunkt der Dünnschichttechnik – mit einem von Selbstorganisation getriebenen elektrophoretischen Beschichtungsprozess – Aufgabenstellung der Arbeitsgruppe Galvanotechnik – sollen die hochinnovativen Oberflächen mit einzigartiger Strukturierung entstehen. Ein spannendes Projekt, mit welchem das FINO seinem Namen alle Ehre machen wird! 

Für das Meilensteingespräch im Dezember 2018 ernteten die beiden Professoren seitens der Fördermittelgeber viel Lob für die bisherigen Projekterfolge - man darf gespannt sein, wie es in der zweiten Projekthälfte weitergeht.

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Vector Stiftung

Das Projekt Amphiforce wird von der Vector Stiftung im Rahmen der Ausschreibung MINT-Innovationen 2017 gefördert.


Die Hochschule Aalen erhält erstmalig eine Förderung im Bundesprogramm VIP+. Mit diesem Programm sollen aussichtsreiche Ergebnisse aus der Forschung für neue Anwendungsbereiche weiterentwickelt werden. Im Projekt GoForE werden die beiden Professoren Dr. Timo Sörgel und Dr. Arndt Borgmeier ein bisher nur im Labormaßstab erprobtes Fertigungsverfahren für leistungsstärkere Batterien auf eine größere Pilotanlage übertragen. Projektziel ist dabei die Entwicklung eines möglichst umwelt- und ressourcenschonenden sowie wirtschaftlichen Verfahrens. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das dreijährige Projekt mit rund 1,4 Millionen Euro.

Der Bedarf an wieder aufladbaren Batterien mit hoher Energiedichte wächst. Grund hierfür sind auch gestiegene Anforderungen an die Reichweite elektrifizierter Fahrzeuge. Moderne Lithium-Ionen Batterien sind heute hierbei die erste Wahl. Jedoch müssen ihre Eigenschaften wie Lebensdauer und Ladegeschwindigkeit noch deutlich verbessert sowie Herstellungskosten gesenkt werden. Genau hier setzt das Projekt GoForE der Forscher aus Aalen an. 

Neues Verfahren zur Herstellung von Batterieelektroden

„Auf Basis einer Kombination galvanotechnischer Verfahren wurde in Aalen ein völlig neuer Weg beschritten, um Kathoden von Lithium/Schwefel-Akkumulatoren in einem Schritt zu fertigen“, erläutert Professor Sörgel vom Forschungsinstitut für Innovative Oberflächen (FINO). Seit dem ersten Machbarkeitsnachweis in 2014 wurde die Leistungsfähigkeit des neuen Materials kontinuierlich gesteigert. Das innovative Konzept wurde daher von der Hochschule Aalen als Patent beim Europäischen Patentamt angemeldet.

Nun muss sich zeigen, ob es auch wirtschaftlich in der Produktion von Elektroden für neue Batterien eingesetzt werden kann. Das GoForE-Projekt wird unter anderem durch die Mentoren Dr. Martin Krebs (VARTA Microbattery GmbH, Ellwangen), Dr. Andreas Zielonka (Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie fem, Schwäbisch Gmünd) und Dr. Andreas Ehrhardt (Innovationszentrum INNO-Z Aalen) begleitet, mit denen Sörgel bereits im BMBF-geförderten SmartPro-Projekt der Hochschule intensiv zusammenarbeitet.

Anwendungsfall E-Bike

Das neue Verfahren soll zunächst für Batterien weiterentwickelt werden, die in E-Bikes zum Einsatz kommen. Ursache hierfür ist, dass der Markt für E-Bikes rasant wächst und für neue Konzepte, die Marktvorteile sichern, offen ist. Professor Arndt Borgmeier aus dem Studiengang „Leadership in Industrial Sales and Technology“ der Hochschule Aalen konzentriert sich daher insbesondere auf die wirtschaftlichen Aspekte in GoForE und führt Marktpotenzial-, Wirtschaftlichkeits- und Risikoanalysen durch. „Die VIP+ Förderung ermöglicht uns, das Innovationspotenzial unserer Technologie selbstständig auszuloten, ohne uns voreilig an mögliche Verwertungspartner zu binden“, schwärmt Professor Sörgel. 

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Gefördert vom BMBF

Das Projekt GoForE wird im Rahmen der Hightech-Strategie 2025 über die BMBF-Fördermaßnahme "Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung - VIP+" unter dem Förderkennzeichen 03VP05120 gefördert. Projektstart war am 01.01.2018.

Abgeschlossene Projekte

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Im Projekt OSTSTROM wurde von 2012 bis 2015 die elektrochemische Mikro- und Nanostrukturierung von Stromsammlern für Batterieelektroden der nächsten Generation zur Steigerung der Energieeffizienz und Zyklenfestigkeit untersucht.

Das Projekt wurde im Rahmen des "IngenieurNachwuchs2012"-Programms unter dem Förderkennzeichen 03FH013I2 vom BMBF gefördert.

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Im Projekt "3D-Kathoden" wurde von April 2014 bis September 2016 in Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie fem in Schwäbisch Gmünd ein neuer Aufbau für Lithium/Schwefel-Akkumulatoren erforscht. Das Folgeprojekt zur Entwicklung einer 3D-Zelle startete am 01.10.2016.

Das IGF-Vorhaben 18127 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle+Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Moderne Energiespeichersysteme haben die Möglichkeiten für portable Anwendungen in den letzten beiden Jahrzehnten enorm erweitert. Die Ansprüche moderner Smartphones, Tablets, hybrider und erster vollelektrifizierter Fahrzeuge sind jedoch so hoch, dass die Leistungsfähigkeit der Batterie immer noch limitierend wirkt. Die zunehmende Gewichtsreduzierung von mobilen Endgeräten und Elektrofahrzeugen sowie hohe Ambitionen bezüglich deren Laufzeiten und Reichweiten erfordern daher den Übergang auf eine Batterie-Technologie mit deutlich höherer theoretischer Kapazität, spezifischer Energie und Energiedichte.

Gegenwärtig richtet sich der Fokus der Akkumulatorforschung auf das als Nachfolger der Lithium-Ionen-Technologie geltende System Lithium/Schwefel, für welches eine Kommerzialisierung in rund zehn Jahren erwartet wird. Die Herausforderungen bezüglich einer serienreifen Umsetzung sind jedoch vielfältig. Unter anderem besteht bei Verwendung von elementarem Lithium durch Bildung von Dendriten im Ladevorgang ein hohes Gefahrenpotential für einen internen Kurzschluss, infolge dessen es zu einem Brand. bzw. einer Explosion der Batterie kommen kann. Im Rahmen des Projekts GaLiLeA – Galvanoformung hybrider Lithium-Legierungsanoden soll ein neuartiger Anodenverbund entwickelt werden, der diese Sicherheitsproblematik beseitigt. Gleichzeitig soll die Neuentwicklung gegenüber den derzeitig verwendeten Elektroden zahlreiche Vorteile sowohl hinsichtlich der elektrischen als auch der mechanischen Eigenschaften mit sich bringen.

Im Fokus der Arbeiten stehen hier zunächst Screenings von möglichen Materialien für das Verbundmaterial, die Optimierung der galvanischen Abscheideparameter sowie der Aufbau erster Lithium-Schwefel-Testzellen unter Verwendung der neuen Anoden. Durch die Einbindung der Partnerunternehmen von Beginn an liegt ein Schwerpunkt auf der industriellen Umsetzbarkeit der Projektidee. Dies ermöglicht im Erfolgsfall eine rasche großtechnische Realisierung.

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Im Projekt GaLiLeA wurden von April 2015 bis März 2018 neuartige Anoden für Lithium-Schwefel-Akkumulatoren mit einer Schlüsselrolle z. B. im Bereich der Elektromobilität erforscht.

Das Projekt wird im Rahmen des "FHprofUnt 2014"-Programms unter dem Förderkennzeichen 03FH033PX4 vom BMBF gefördert.